JP3493974B2 - 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】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】従来、静
電マイクロリレーとしては、例えば、平坦な固定電極
に、絶縁膜を介し、湾曲させた可動電極の一端を接触さ
せたものがある（特開平８−２５５５４６号）。そし
て、電極間に電圧を印加して生じる静電引力で可動電極
を駆動することにより、前記可動電極の他端近傍に設け
た可動接点が前記固定電極に設けた固定接点に接触す
る。この駆動方式によれば、可動電極の一部が固定電極
に予め接触しているので、初期駆動力が大きい。さら
に、可動電極の一端が固定電極に接触しているととも
に、可動接点を可動電極の他端近傍に設けてある。この
ため、可動電極に静電引力が生じて曲げモーメントが作
用しても、てこの原理により、固定接点に対する可動接
点の荷重は小さい。このため、前述の電圧の印加を停止
した場合に、可動電極が自己のバネ力で元の位置に容易
に復帰し、前記可動接点が前記固定接点から開離する。
このため、復帰動作の速い静電マイクロリレーが得られ
る。

【０００３】しかしながら、前述の駆動方式では、固定
接点に対する可動接点の荷重が小さい。このため、可動
接点が固定接点に接触しても、大きな接点圧が得られ
ず、振動等による誤動作が生じやすいという問題点があ
る。

【０００４】一方、平坦な固定電極に真直な薄板状可動
電極を平行に対向させた静電マイクロリレーがある。そ
して、電極間に電圧を印加して生じる静電引力で前記可
動電極を厚さ方向に平行に駆動すると、前記可動電極の
略中央に配置した可動接点が、前記固定電極に設けた固
定接点に接触した後、可動電極が固定電極に吸着する。
この駆動方式の静電マイクロリレーによれば、静電引力
に基づく曲げモーメントが可動電極に作用すると、可動
接点が可動電極自身の略中央に位置するので、すべての
静電引力が可動接点に接点荷重として作用する。このた
め、接点圧の大きい静電マイクロリレーが得られる。

【０００５】しかしながら、静電引力は距離の２乗に反
比例する。このため、前述の駆動方式によれば、動作初
期時における静電引力が小さく、所望の動作速度を得よ
うとすると、高い駆動電圧を必要とする。さらに、一
旦、可動接点が固定接点に接触した後、電圧の印加を停
止して静電引力を解消しても、てこの原理を利用でき
ず、可動電極自身の復帰力だけで可動接点を引き上げる
ので、復帰動作が遅いという問題点がある。

【０００６】本発明は、前記問題点に鑑み、初期動作，
復帰動作において所望の動作速度を有し、所望の接点圧
を確保できる駆動電圧の低い静電マイクロリレーを提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる静電マイ
クロリレーは、前記目的を達成するため、第１の発明
が、ベースに設けた固定電極と、このベースの上面に固
定したアクチュエータの可動電極との間に電圧を印加し
て生じる静電引力で前記可動電極を駆動し、前記ベース
に設けた固定接点に前記アクチュエータに設けた可動接
点を接離させて電気回路を開閉する静電マイクロリレー
において、前記アクチュエータが、前記ベースに立設し
たアンカと、このアンカの上面縁部から側方に延在する
第１薄板梁部と、この第１薄板梁部の自由端から両側へ
同一軸心上に延在する一対の第２薄板梁部と、この第２
薄板梁部に回動可能に連結された可動電極とからなり、
前記第１薄板梁部の自由端下面に可動接点を設けた構成
としてある。

【０００８】第２の発明は、前記第１薄板梁部のうち、
前記可動接点近傍のアンカ側にスリットを設けて第３薄
板梁部を形成したことを特徴とする静電マイクロリレー
にある。

【０００９】第３の発明は、ベースに設けた固定電極
と、このベースの上面に固定したアクチュエータの可動
電極との間に電圧を印加して生じる静電引力で前記可動
電極を駆動し、前記ベースに設けた固定接点に前記アク
チュエータに設けた可動接点を接離させて電気回路を開
閉する静電マイクロリレーにおいて、前記アクチュエー
タが、前記ベースに突設した一対のアンカと、このアン
カの上面縁部に架け渡した第１薄板梁部と、この第１薄
板梁部の略中央から側方へ直交方向に延在した第２薄板
梁部と、この第２薄板梁部の自由端から側方へ同一軸心
上に延在した可動電極とからなり、前記第１薄板梁部の
略中央下面に可動接点を設けたことを特徴とする静電マ
イクロリレーにある。

【００１０】第４の発明は、ベースに設けた固定電極
と、このベースの上面に固定したアクチュエータの可動
電極との間に電圧を印加して生じる静電引力で前記可動
電極を駆動し、前記ベースに設けた固定接点に前記アク
チュエータに設けた可動接点を接離させて電気回路を開
閉する静電マイクロリレーにおいて、前記アクチュエー
タが、前記ベースに並設した一対のアンカと、このアン
カの上面縁部から相互に平行となるように側方に延在し
た一対の第１薄板梁部と、この第１薄板梁部の自由端か
ら側方へ同一軸心上に延在した一対の第２薄板梁部と、
この前記第２薄板梁部に片側縁部を回動可能に連結した
可動電極とからなり、一対の前記第２薄板梁部の中間に
位置する前記可動電極の下面に可動接点を設けたことを
特徴とする静電マイクロリレーにある。

【００１１】第５の発明は、ベースに設けた固定電極
と、このベースの上面に固定したアクチュエータの可動
電極との間に電圧を印加して生じる静電引力で前記可動
電極を駆動し、前記ベースに設けた固定接点に前記アク
チュエータに設けた可動接点を接離させて電気回路を開
閉する静電マイクロリレーにおいて、前記アクチュエー
タが、前記ベースに立設したアンカと、このアンカの上
面両端縁部から相互に平行となるように側方に延在した
一対の第１薄板梁部と、この第１薄板梁部の自由端から
側方へ同一軸心上に延在した一対の第２薄板梁部と、こ
の第２薄板梁部に片側縁部を回動可能に連結された可動
電極とからなり、一対の前記第２薄板梁部の中間に位置
する前記可動電極の下面に可動接点を設けたことを特徴
とする静電マイクロリレーにある。

【００１２】第６の発明は、前記可動電極の前記可動接
点近傍の自由端側にスリットを設けて第３薄板梁部を形
成したことを特徴とする静電マイクロリレーにある。

【００１３】また、前記アクチュエータが、単結晶シリ
コン基板単体からなることを特徴とする静電マイクロリ
レーであってもよい。

【００１４】さらに、前記ベースがガラス基板単体から
なることを特徴とする静電マイクロリレーであってもよ
い。

【００１５】そして、前記ベースが少なくとも上面を絶
縁膜で被覆された単結晶シリコン基板からなることを特
徴とする静電マイクロリレーであってもよい。

【００１６】ついで、前記可動電極の縦断面は、反りを
生じないように線対称であってもよい。

【００１７】第７の発明は、前記可動電極の上面中央に
凹所を設けて上面周辺縁部にリブを形成したことを特徴
とする静電マイクロリレーにある。

【００１８】また、前記固定電極と前記可動電極との対
向面のうち、少なくともいずれか一方の対向面に、シリ
コン酸化膜，シリコン窒化膜等の高誘電率の絶縁膜を形
成しておいてもよい。

【００１９】さらに、前記可動電極を、前記第１薄板梁
部および第２薄板梁部よりも厚肉としてもよい。

【００２０】第８の発明は、前記アクチュエータの可動
電極を、前記ベース側に予め傾斜させたことを特徴とす
る静電マイクロリレーにある。

【００２１】また、前記可動電極の自由端縁部を、前記
ベース上面のうち、固定電極を設けていない部分に最初
に当接させてもよい。

【００２２】さらに、前記可動電極下面の自由端縁部に
突設した突部を、前記ベース上面のうち、固定電極を設
けていない部分に最初に当接させてもよい。

【００２３】そして、前記可動電極の自由端縁部を、前
記ベース上面のうち、固定電極を設けていない部分に突
設した突部に最初に当接させてもよい。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に、本発明にかかる実施形態を
図１ないし図２６の添付図面に従って説明する。

【００２５】第１実施形態にかかる静電マイクロリレー
は、図１ないし図５に示すように、ガラス基板１１ａか
らなるベース１０の上面にアクチュエータ２０を一体化
したものである。

【００２６】前記ベース１０は、ガラス基板１１ａの上
面に固定電極１２および固定接点１３，１４を設けてあ
る。そして、前記固定電極１２の表面は絶縁膜１５で被
覆されている。さらに、前記固定電極１２および固定接
点１３，１４は、プリント配線１６ａ，１７ａおよび１
８ａを介して接続パッド１６および１７，１８にそれぞ
れ接続されている。

【００２７】また、前記アクチュエータ２０は、前記ベ
ース１０の上面に立設したアンカ２１の上面縁部から側
方に延在する第１，第２，第３薄板梁部２２，２３，２
４を介して可動電極２５を支持したものである。前記ア
ンカ２１は、ベース１０の上面に設けたプリント配線１
９ａを介して接続パッド１９に接続されている。前記第
１薄板梁部２２は、シリコン基板の片側縁部に設けた一
対の切り欠き部２６ａ，２６ａの間に形成されている。
第２薄板梁部２３，２３は、シリコンウエハに設けた一
対の前記切り欠き部２６ａ，２６ａとスリット２６ｂと
の間にそれぞれ形成されている。さらに、第３薄板梁部
２４は、第１薄板梁部２２に設けたスリット２６ｃと前
記スリット２６ｂとの間に形成されている。そして、前
記第３薄板梁部２４の下面中央には絶縁膜２７を介して
可動接点２８が設けられている。この可動接点２８は前
記固定接点１３，１４に接離可能に対向している。

【００２８】次に、前述の構成からなる静電マイクロリ
レーの製造方法を図２ないし図４の添付図面に従って説
明する。まず、図２（ａ）に示すように、パイレックス
等のガラス基板１１ａに固定電極１２、固定接点１３，
１４を形成する。さらに、これと同時に、前記固定電極
１２，固定接点１３，１４に連続するプリント配線１６
ａ，１７ａ，１８ａ，１９ａ、および、接続用パッド１
６，１７，１８をそれぞれ形成する（図２（ｂ））。そ
して、前記固定電極１２に絶縁膜１５を形成することに
より、ベース１０が完成する（図２（ｃ））。なお、前
記絶縁膜１５として比誘電率３〜４のシリコン酸化膜あ
るいは比誘電率７〜８のシリコン窒化膜を用いれば、大
きな静電引力が得られ、接触荷重を増加させることがで
きる。

【００２９】一方、図３（ａ）に示すＳＯＩウエハ３０
の下面に、接点間ギャップおよびインターコネクション
部を形成するため、例えば、シリコン酸化膜をマスクと
するＴＭＡＨによるウェットエッチングを行い、アンカ
２１および段部３１を形成する（図３（ｂ））。つい
で、インターコネクション部となる前記段部３１にシリ
コンウエハのドーピングタイプと同一タイプの不純物を
イオンインプラで注入し、アニールして電気的活性化を
図り、導電性を高める（図３（ｃ））。そして、絶縁膜
２７を介して可動接点２８を形成するとともに、インタ
ーコネクション用接続パッド３２を設ける（図３
（ｄ））。

【００３０】ついで、前記ベース１０にＳＯＩウエハ３
０を陽極接合で接合一体化する（図４（ａ））。そし
て、ＳＯＩウエハ３０の上面をＴＭＡＨ，ＫＯＨ等のア
ルカリエッチング液で酸化膜３３までエッチングして薄
くする。さらに、フッ素系エッチング液で前記酸化膜３
３を除去して可動電極２５を露出させる（図４
（ｂ））。そして、ＲＩＥ等を用いたドライエッチング
で型抜きエッチングを行い、切り欠き部２６ａおよびス
リット２６ｂ，２６ｃを形成して第１，第２，第３薄板
梁部を切り出し（図４（ｃ））、アクチュエータ２０が
完成する。

【００３１】本実施形態によれば、アクチュエータ２０
全体をシリコンウェハ単体で形成するとともに、左右対
称，断面対称に形成してある。このため、可動電極２５
に反りや捩りが生じにくい。この結果、動作不能，動作
特性のバラツキを効果的に防止できるとともに、円滑な
動作特性を確保できるという利点がある。

【００３２】次に、前述の構成からなる静電マイクロリ
レーの動作を図５（ａ）ないし図５（ｄ）を参照して説
明する。 まず、固定電極１２および可動電極２５間に
電圧を印加していない場合、固定電極１２と可動電極２
５とは平行を保持し、可動接点２８が固定接点１３，１
４から開離している（図５（ａ））。

【００３３】次に、可動電極１２および固定電極２５間
に電圧が印加されると、電極１２，２５間に生じた静電
引力によって可動電極２５が固定電極１２に吸引され
る。このため、第２薄板２３，２３に捩れが生じ、可動
電極２５の自由端が固定電極１２側に接近する。この結
果、間隙が狭まり、より一層強い静電引力が生じる。最
終的には、可動電極２５の自由端が固定電極１２上の絶
縁膜１５に接触する（図５（ｂ））。接触後は固定電極
１２とアンカ２１とに可動電極２５の両端が２点支持さ
れた状態で曲げモーメントが作用し、第１薄板梁部２２
にたわみが生じる。このため、可動電極２５が固定電極
１２に吸引され、可動接点２８が固定接点１３，１４に
当接する（図５（ｃ））

【００３４】可動接点２８が固定接点１３，１４に当接
した後、第３薄板梁部２４が撓み、可動電極２５全域が
固定電極１２を被覆する絶縁膜１５に吸着する。

【００３５】前述の電圧の印加を停止すると、第３薄板
梁部２４および第１薄板梁部２２のバネ力により、可動
電極２５が、その自由端縁部を除き、固定電極１２から
離れた後、可動接点２８が固定接点１３，１４から開離
する。その後、第２薄板梁部２３，２３の捩りモーメン
トにより、可動電極２５が元の状態に復帰する。

【００３６】以上の説明から明らかなように、低電圧に
よる駆動および大きな接点圧を確保するためには、可動
電極２５の剛性を大きくするとともに、第２薄板２３の
捩り剛性、第１薄板梁部２２および第３薄板梁部２４の
曲げ剛性を順次大きくすることが必要である。

【００３７】第２実施形態にかかる静電マイクロリレー
は、図６に示すように、前記可動電極２５の上面に凹所
２５ａを形成して薄肉とし、環状リブを形成した点にお
いて前述の第１実施形態と異なる。本実施形態によれ
ば、所望の剛性を確保しつつ、薄肉にして軽量化してあ
るので、動作速度，復帰速度がより一層向上するという
利点がある。他は前述の実施形態と同様であるので、説
明を省略する。

【００３８】第３実施形態にかかる静電マイクロリレー
は、図７に示すように、可動電極２５が固定電極１２よ
りも長くなり、固定電極１２の先端縁部が可動電極２５
の自由端よりも内側に位置している場合である。そし
て、可動電極２５の自由端が、ベース１０の上面縁部に
突設した突条１０ａに当接可能となっている。このた
め、可動電極２５の自由端が絶縁膜１５に直接接触する
ことがなく、衝撃荷重による機械的あるいは電気的な絶
縁破壊を防止できるという利点がある。他は前述の実施
形態と同様であるので、説明を省略する。

【００３９】第４実施形態にかかる静電マイクロリレー
は、図８ないし図１３に示すように、シリコン基板１１
ｂからなるベース１０に、アクチュエータ２０を設けた
場合である。前記ベース１０は、シリコン基板１１ｂの
上面に絶縁膜１０ｂを介して固定電極１２および固定接
点１３，１４を設けてある。前記固定電極１２および固
定接点１３，１４はプリント配線１６ａおよび１７ａ，
１８ａを介して接続パッド１６および１７，１８にそれ
ぞれ接続されている。

【００４０】アクチュエータ２０は、部分的な絶縁膜２
１ａを介してアンカ２１を前記ベース１０に立設したも
のである。そして、このアンカ２１の上端縁部から側方
に延在する第１薄板梁部２２および一対の第２薄板梁部
２３，２３を介して可動電極２５を支持してある。前記
アンカ２１は、前記ベース１０の所定の位置に設けた導
電パッド１９ｂに立設し、かつ、プリント配線１９ａを
介して接続パッド１９に接続されている。前記第１薄板
梁部２２は、シリコン基板の縁部に設けた一対の略Ｌ字
形の切り欠き部２６ａ，２６ａ間に形成されている。ま
た、第２薄板梁部２３は、前記切り欠き部２６ａとスリ
ット２６ｂとの間に形成されている。そして、前記第１
薄板梁部２２の先端下面中央に絶縁膜２７を介して可動
接点２８が設けられている。この可動接点２８は、前記
ベース１０に設けた固定接点１３，１４に接離可能に対
向している。

【００４１】第４実施形態にかかる静電マイクロリレー
の製造方法について説明する。まず、図９（ａ）で示す
シリコン基板１１ｂにドライ酸化によって２０００Åの
熱酸化膜１０ｂを形成する（図９（ｂ））。ついで、ス
パッタリングによって１０００ÅのＣｒ薄膜、３０００
０ÅのＡｕ薄膜を順次形成した後、フォトリソグラフィ
でメタルエッチングすることにより、固定電極１２、固
定接点１３，１４、接続パッド１６ないし１９、導電パ
ッド１９ｂおよびプリント配線１６ａないし１９ａを形
成する（図９（ｃ））。

【００４２】一方、図１０（ａ）に示すシリコン基板３
２に１０００Åの熱酸化膜を形成し、フォトリソグラフ
ィで酸化膜をエッチングして酸化膜パターンを形成す
る。ついで、この酸化膜パターンをマスクとして温度７
０℃のＴＭＡＨで異方性エッチングを行い、深さ５．０
μｍのキャビティを形成し（図１０（ｂ））、アンカ２
１を形成する。そして、前記熱酸化膜をフッ酸で全面除
去する。さらに、ドライ酸化で所定の部分に２０００Å
の熱酸化膜２７を形成した後、フォトリソグラフィおよ
び酸化膜エッチングにより、所定の位置に酸化膜を残存
させる（図１０（ｃ））。ついで、スパッタリングによ
り、１０００ÅのＣｒ薄膜、３００００ÅのＡｕ薄膜を
順次形成し、可動接点２８を形成する（図１０
（ｄ））。

【００４３】そして、図１１（ａ）に示すように、前記
ベース１０にアクチュエータとなるシリコン基板３２を
温度４００℃の加熱で３０分の金共晶接合を行う。つい
で、アクチュエータ２０となるシリコン基板３２に研
磨、ポリシッング、ＫＯＨによるシリコンエッチングで
厚さ２０μｍまで薄くする。さらに、薄くしたシリコン
基板にフォトリソグラフィでレジストをパターンニング
した後、ドライエッチングで切り欠き部２６ａおよびス
リット２６ｂを形成するとともに、接続パッド１６ない
し１８の上方に位置するシリコン基板の一部を除去す
る。これにより、可動電極２５、第１薄板梁部２２およ
び第２薄板梁部２３，２３を型抜きできる（図１２）。
そして、マスクとしたレジストを酸素アッシングで除去
することにより、静電マイクロリレーが完成する（図１
１（ｃ））。

【００４４】次に、第４実施形態にかかる静電マイクロ
リレーの動作を図１３（ａ）ないし図１３（ｄ）の添付
図面にしたがって説明する。まず、固定電極１２および
可動電極２５間に電圧が印加されていない場合、固定電
極１２と可動電極２５とが平行状態で対向している（図
１３（ａ））。

【００４５】電極１２，２５間に電圧を印加すると、静
電引力が発生して可動電極２５が吸引される。このた
め、第２薄板梁部２３，２３に捩れが生じ、可動電極２
５が傾き、その自由端縁部が固定電極１２に接近する。
この結果、より強い静電引力で可動電極２５が吸引され
る。そして、可動電極２５の自由端縁部が固定電極１２
に接触する（図１３（ｂ））。このとき、静電引力の一
部が接触抵抗力として失われる。しかし、この失われた
損失分よりも静電引力の増加分が大きいので、可動電極
２５がより一層強く吸引される。

【００４６】可動電極２５の自由端縁部が固定電極１２
に接触することにより、可動電極２５が２点支持され、
曲げモーメントが作用する。このため、第１薄板梁部２
２の一端に静電引力に基づく荷重が負荷され、第１薄板
梁部２２が撓み、可動電極２５全体が固定電極１２によ
り一層接近する。この結果、より強い静電引力によって
可動電極２５が吸引され、可動接点２８が固定接点１
３，１４に接触する（図１３（ｃ））。

【００４７】可動接点２８が固定接点１４に接触した
後、可動電極２５を被覆する絶縁膜２７全体が固定電極
１２に吸着し、絶縁膜２７の厚さ寸法まで接近する（図
１３（ｄ））。このため、静電引力が最大となり、所望
の接点荷重で可動接点２８が固定接点１４に接触する。

【００４８】前述の駆動電圧の印加を停止すると、第１
薄板梁部２２のバネ力により、可動接点２８が固定接点
１４から開離する。ついで、第２薄板梁部２３，２３の
捩り力によって可動電極２５が元の状態に復帰する。

【００４９】第５実施形態にかかる静電マイクロリレー
は、図１４に示すように、第４実施形態にかかる可動電
極２５の絶縁膜２７に、第２可動電極２９および絶縁膜
２９ａを順次積層一体化した場合である。本実施形態に
よれば、第２可動電極２９を可動電極２５よりも高誘電
率とすることにより、より一層大きな静電引力を有する
静電マイクロリレーが得られる。

【００５０】第６実施形態は、図１５に示すように、可
動電極２５の表裏面を露出させる一方、固定電極１２の
表面を絶縁膜１５で被覆する場合である。本実施形態に
よれば、シリコンに酸化膜等を形成する必要がない。こ
のため、可動電極２５の反りによる静電引力のバラツ
キ，減少を防止し、動作初期時における静電引力の安定
化を図ることができる。さらに、可動電極２５を軽量化
できるという利点がある。

【００５１】第７実施形態にかかる静電マイクロリレー
は、図１６に示すように、可動電極２５を厚くした場合
である。本実施形態によれば、可動電極２５を厚くする
ことにより、可動電極２５の剛性が大きくなる。このた
め、可動電極２５の自由端縁部が絶縁膜１５に接触した
後、静電引力のすべてが第１薄板梁部２２の曲げ荷重と
なるので、静電引力を効率良く第１薄板梁部２２の変形
に利用できるという利点がある。

【００５２】第８実施形態にかかる静電マイクロリレー
は、図１７に示すように、可動電極の上面に凹所２５ａ
を形成した場合である。本実施形態によれば、可動電極
２５の周辺縁部だけを残して薄くし、リブを形成してあ
る。このため、可動電極２５の剛性を著しく低下させず
に軽量化でき、応答速度を高め、耐衝撃特性，耐振動特
性の向上を図ることができるという利点がある。

【００５３】第９実施形態にかかる静電マイクロリレー
は、図１８に示すように、可動電極２５を固定電極１２
に予め傾斜させておく場合である。可動電極２５を傾斜
させる方法としては、第１薄板梁部２２および／または
第２薄板梁部２３に薄膜を形成したり、あるいは、不純
物を注入して反らせておく方法がある。本実施形態によ
れば、動作初期時における静電引力がより一層大きくな
り、動作特性が向上するという利点がある。

【００５４】また、図１９に示す第１０実施形態である
静電マイクロリレーのように、可動電極２５の下面自由
端縁部に突起２５ｂを設け、動作初期時における静電引
力をより一層大きくなるようにしてもよい。

【００５５】第１１実施形態にかかる静電マイクロリレ
ーは、図２０に示すように、第１薄板梁部２２の両端を
アンカ２１，２１に架け渡して固定支持したものであ
る。そして、第１薄板梁部２２は、その中央から側方に
延在する第２薄板梁部２３を介して可動電極２５を支持
している。さらに、前記第１薄板梁部２２の下面中央に
可動接点２８を設けてある。本実施形態によれば、アク
チュエータ２０全体の形状が簡単になり、製造が容易と
なる。さらに、第１薄板梁部２２の両端を固定支持して
あるので、可動電極２５の反り等の変形が少ない安定な
静電マイクロリレーを得られるという利点がある。

【００５６】第１２実施形態は、図２１に示すように、
第１薄板梁部２２、第２薄板梁部２３および可動電極２
５を同一巾寸法とし、かつ、同一直線上に配置した場合
である。本実施形態によれば、前述の実施形態よりも形
状が簡単になり、製造が容易で反り等の変形が少ないと
いう利点がある。

【００５７】第１３実施形態は、図２２（ａ）および図
２２（ｂ）に示すように、ガラス基板１１ａからなるベ
ース１０に、アクチュエータ２０を設けた場合である。
前記ベース１０は、ガラス基板１１ａの上面に前述の第
１実施形態と同様、絶縁膜１５で被覆された固定電極１
２、固定接点１３，１４および接続パッド１６ないし１
９を形成してある。そして、固定電極１２および固定接
点１３，１４は、プリント配線１６ａおよび１７ａ，１
８ａを介し、接続パッド１６および１７，１８にそれぞ
れ接続されている。

【００５８】アクチュエータ２０は、前記ベース１０の
上面に立設した一対の平面略Ｌ字形アンカ２１，２１の
上面縁部に、一対の第１薄板梁部２２，２２、一対の第
２薄板梁部２３，２３および第３薄板梁部２４を介して
可動電極２５を支持したものである。すなわち、アンカ
２１，２１は、その一端の上面縁部から第１薄板梁部２
２，２２を相互に平行となるように延在している。さら
に、この第１薄板梁部２２，２２は、その一端から第２
薄板梁部２３，２３を直角方向へ同一軸心上に延在して
可動電極２５を支持している。そして、この可動電極２
５の片側縁部近傍にスリット２６ｃを形成することによ
り、第３薄板梁部２４が形成されている。さらに、この
第３薄板梁部２４の下面中央には絶縁膜２７を介して可
動接点２８が形成されている。また、前記アンカ２１の
一方は、ベース１０の上面に設けたプリント配線１９ａ
を介して接続パッド１９に接続されている。なお、製造
方法は前述の実施形態とほぼ同様であるので、説明を省
略する。

【００５９】次に、第１３実施形態にかかる静電マイク
ロリレーの動作について説明する。まず、電極１２，２
５間に電圧が印加されていない場合、固定電極１２と可
動電極２５との間に静電引力が発生しない。このため、
可動電極２５は固定電極１２と平行に対向し、可動接点
２８は固定接点１３，１４から開離している。

【００６０】電極１２，２５間に電圧を印加して静電引
力が発生すると、第２薄板梁部２３が捩れて可動電極２
３が傾斜し、その自由端部が固定電極１２を被覆する絶
縁膜２５に接触する。このため、静電引力がより大きく
なり、吸引力が増大する。この結果、第１薄板梁部２２
が撓んで可動電極２５全体が固定電極１２により一層接
近し、可動接点２８が固定接点１４に接触する。さら
に、可動電極２５全体が絶縁膜１５に吸着すると、第３
薄板梁部２４が弾性変形して可動接点２８が所定の接点
圧で接触する。

【００６１】そして、前述の電圧の印加を解除すると、
静電引力がなくなり、第３，第１薄板梁部のバネ力で可
動接点２８が固定接点１４から開離し、第１薄板梁部の
バネ力によって可動電極２５が元の状態に復帰する。

【００６２】第１４実施形態は、図２３および図２４に
示すように、１本のアンカ２１の両端から延在した一対
の第１薄板梁部２２，２２および一対の第２薄板梁部２
３，２３を介して可動電極２５を支持した場合である。
そして、前記可動電極２５の片側縁部近傍にスリット２
６ｂを形成することにより、第３薄板梁部を形成してあ
る。さらに、この第３薄板梁部の下面中央には絶縁膜２
７を介して可動接点２８が形成されている。他の構成お
よび製造方法は前述の実施形態とほぼ同様であるので、
説明を省略する。

【００６３】次に、第１４実施形態にかかる静電マイク
ロリレーの動作を、図２４を参照しつつ、説明する。ま
ず、電極１２，２５間に電圧が印加されていない場合、
固定電極１２および可動電極２５の間に静電引力が発生
しない。このため、可動電極２５は固定電極１２と平行
に対向し、可動接点２８は固定接点１４から開離してい
る。

【００６４】電極１２，２５間に電圧を印加して静電引
力が発生すると、第２薄板梁部２３，２３が捩れて可動
電極２５が傾斜し、その自由端縁部が固定電極１２を被
覆する絶縁膜１５に接触する。このため、静電引力がよ
り一層大きくなり、固定電極１２の吸引力が増大する。
この結果、第１薄板梁部２２が撓んで可動電極２５全体
が固定電極１２により一層接近し、可動接点２８が固定
接点１４に接触する。さらに、可動電極２８全体が絶縁
膜１５に吸着すると、第３薄板梁部２４が弾性変形し、
可動接点２８が固定接点１４に所定の接点圧で接触す
る。

【００６５】そして、前述の電圧の印加を解除すると、
静電引力がなくなり、第３，第１，薄板梁部２４，２２
のバネ力で可動接点２８が固定接点１４から開離する。
ついで、第２薄板梁部２３のバネ力によって可動電極２
５が元の状態に復帰する。

【００６６】

【実施例】（実施例） 前述の第１実施形態について５Ｖの駆動電圧を印加した
場合における駆動電極間ギャップと可動電極の駆動力と
の関係を計算によって求めた。計算結果を図２５のグラ
フ図に示す。また、３．５Ｖの駆動電圧を印加した場合
における駆動電極間ギャップと可動電極の駆動力との関
係を計算によって求めた。計算結果を図２６のグラフ図
に示す。

【００６７】（従来例） 平坦な固定電極に薄板状可動電極を平行に配置して対向
させた従来例について、前述と同様に５Ｖの駆動電圧を
印加した場合における駆動電極間ギャップと可動電極の
駆動力との関係を計算によって求めた。計算結果を図２
５のグラフ図に示す。また、実施例と同一梁反力とした
場合における５Ｖの駆動電圧を印加したときの駆動電極
間ギャップと可動電極の駆動力との関係を計算によって
求めた。計算結果を図２６のグラフ図に示す。

【００６８】図２５から明らかなように、駆動電圧が同
一であれば、本発明の駆動力は常に従来例の駆動力より
も大きいことが判った。なお、本発明にかかるグラフ図
が不連続であるのは、可動電極の自由端部が固定電極に
接触すると、可動電極が２点支持となり、曲げモーメン
トが作用するからである。

【００６９】また、図２６から明らかなように、従来例
の駆動電圧が５Ｖであるのに対し、本発明の駆動電圧が
３．５Ｖであるにもかかわらず、本発明の駆動力は従来
の駆動力とほぼ同等であることが判った。したがって、
低い駆動電圧で駆動できる静電マイクロリレーを得られ
ることが判った。

【００７０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかる請求項１の静電マイクロリレーによれば、対向
する固定電極と可動電極との間に電圧を印加すると、静
電引力が生じる。そして、最初に剛性の小さい第２薄板
梁部を中心に可動電極が回動し、可動電極の自由端部が
固定電極に接近する。このため、静電引力がより一層大
きくなり、固定電極が可動電極を吸引する。この結果、
第２薄板梁部のばね力に抗して可動電極が変位し、可動
接点が固定接点に接触した後、可動電極が固定電極に吸
着する。したがって、低い駆動電圧で可動電極を駆動で
き、電極間隔を大きくできるだけでなく、初期動作にお
ける応答速度が速い静電マイクロリレーが得られる。ま
た、固定接点に接触する可動接点が可動電極よりもアン
カ側に位置する。このため、可動電極が固定接点に吸着
した場合に、てこの原理により、可動接点が固定接点に
大きな荷重で接触し、所望の接点圧を確保できる。さら
に、電圧の印加を停止して静電引力を解消すると、ま
ず、剛性の大きい第１薄板梁部のばね力で可動電極が固
定電極から開離し、可動接点が固定接点から開離する。
このため、所望の接点開離力が得られ、復帰動作の速い
静電マイクロリレーが得られる。請求項２によれば、ス
リットを設けることにより、第２薄板梁部よりも大きな
剛性を有する第３薄板梁部を形成できる。このため、可
動電極に対する負荷特性の調整がより一層容易になり、
設計の自由度が広がる。

【００７１】請求項３によれば、第１薄板梁部の両端が
アンカに支持されているので、前述の効果に加え、安定
した動作特性を有する静電マイクロリレーが得られる。

【００７２】請求項４，請求項５によれば、請求項１同
様、低い駆動電圧で可動電極を駆動でき、電極間隔を大
きくできるだけでなく、初期動作における応答速度が速
い静電マイクロリレーが得られる。また、実質的にアン
カから可動接点までの距離は、アンカから可動電極まで
の距離もよりも短い。このため、可動電極が固定電極に
吸着した場合に、てこの原理により、可動接点が固定接
点に大きな力で接触し、所望の接点圧を確保できる。さ
らに、電圧の印加を停止して静電引力を解消すると、ま
ず、剛性の大きい第１薄板梁部のばね力で可動電極が固
定電極から開離し、可動接点が固定接点から開離する。
このため、所望の接点開離力が得られ、復帰動作の速い
静電マイクロリレーが得られる。特に、請求項５によれ
ば、一つのアンカから一対の第１薄板梁部を平行に延在
してあるので、第１薄板梁部の位置決め精度，寸法精度
が高くなり、動作特性にバラツキが生じない静電マイク
ロリレーが得られる。請求項６によれば、スリットを設
けることにより、第２薄板梁部よりも大きな剛性を有す
る第３薄板梁部を形成できる。このため、可動電極に対
する負荷特性の調整がより一層容易になり、設計の自由
度が広がる。

【００７３】また、アクチュエータを単結晶シリコン基
板単体から形成すれば、すべての生産工程を半導体プロ
セス工程で処理でき、寸法精度にバラツキのないアクチ
ュエータが得られる。さらに、ベースをガラス基板単体
で製造すれば、単位結晶シリコン基板からなるアクチュ
エータを陽極接合で一体化でき、組み付け作業が容易な
小型の静電マイクロリレーが得られる。さらに、高周波
特性が向上し、機械寿命が伸びる。そして、ベースを、
絶縁膜で被覆した単結晶シリコン基板で形成すれば、単
結晶シリコン基板からなるアクチュエータをベースに低
い温度で接合一体化できる。このため、低融点の接点材
料を使用でき、接点材料の選択範囲が広がる。

【００７４】また、前記可動電極の縦断面を反りが生じ
ないように線対称とすれば、固定電極と可動電極との距
離にバラツキが生じず、動作不能を防止でき、動作特性
が均一な静電マイクロリレーが得られる。請求項７によ
れば、可動電極の上面中央に凹所を設けて上面周辺縁部
にリブを形成してある。このため、所望の剛性を確保し
つつ、軽量な可動電極が得られ、動作特性がより一層向
上する。また、固定電極と可動電極との対向面のうち、
少なくともいずれか一方の対向面に絶縁膜を形成してお
けば、固定電極と可動電極とが直接接触することがな
い。このため、両者は絶縁膜の厚さを残して大きな静電
引力で吸着するので、所望の接触荷重が得られる。さら
に、第１，第２薄板梁部を可動電極よりも薄肉とすれ
ば、第１，第２薄板梁部よりも可動電極の剛性が大き
い。このため、固定電極に可動電極が静電引力で吸引さ
れても、可動電極は反りを生じることなく、真直なまま
で固定電極に接近して吸着する。この結果、動作速度の
速い静電マイクロリレーが得られる。請求項８によれ
ば、アクチュエータの可動電極をベース側に予め傾斜さ
せてある。このため、駆動初期時に、より大きな静電引
力が得られ、駆動電圧をより一層低減できる。

【００７５】また、可動電極の自由端縁部を、ベース上
面のうち、固定電極を設けていない部分に当接させてお
けば、可動電極の自由端縁部が固定電極を被覆する絶縁
膜に最初に当接することがなく、衝撃荷重による絶縁膜
の破損が生じず、短絡が生じない。さらに、可動電極が
固定電極に当接する前に、可動電極の突条をベースの上
面に直接当接するようにすれば、固定電極に最初に当接
することがない。このため、衝撃荷重による絶縁膜の破
損がなく、短絡が生じない。そして、可動電極の自由端
縁部をベースの上面に突設した突条に当接するようにす
れば、固定電極を被覆する絶縁膜に最初に当接すること
がない。このため、衝撃荷重による絶縁膜の破損がな
く、短絡が生じない静電マイクロリレーを得られるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本願発明にかかる第１実施形態を示し、図
（ａ）は平面図、図（ｂ）は図１（ａ）の１Ｂ−１Ｂ線
断面図である。

【図２】 図１で示したベースの製造工程を示す断面図
である。

【図３】 図１で示したアクチュエータの製造工程を示
す断面図である。

【図４】 図２，図３で示したベースおよびアクチュエ
ータの接続工程を示す図１の４−４線で切断した断面図
である。

【図５】 図１で示した静電マイクロリレーの動作を示
す断面図である。

【図６】 本願発明にかかる第２実施形態を示し、図
（ａ）は平面図、図（ｂ）は図６（ａ）の６Ｂ−６Ｂ線
断面図である。

【図７】 本願発明にかかる第３実施形態を示し、図
（ａ）は平面図、図（ｂ）は図７（ａ）の７Ｂ−７Ｂ線
断面図である。

【図８】 本願発明にかかる第４実施形態を示し、図
（ａ）は図８（ｂ）の８Ａ−８Ａ線で切断した断面図、
図（ｂ）は平面図、図（ｃ）は図８（ｂ）から可動接点
だけを残してアクチュエータを除いた状態を示す平面図
である。

【図９】 図８（ａ）で示したベースの製造工程を示す
断面図である。

【図１０】 図８（ａ）で示したアクチュエータの製造
工程を示す断面図である。

【図１１】 図９，図１０で示したベースおよびアクチ
ュエータの接続工程を示す断面図である。

【図１２】 図８（ａ）で示すアクチュエータの底面図
である。

【図１３】 図８（ａ）示したアクチュエータの動作を
示す断面図である。

【図１４】 第５実施形態にかかる静電マイクロリレー
の断面図である。

【図１５】 第６実施形態にかかる静電マイクロリレー
の断面図である。

【図１６】 第７実施形態にかかる静電マイクロリレー
の断面図である。

【図１７】 第８実施形態にかかる静電マイクロリレー
の断面図である。

【図１８】 第９実施形態にかかる静電マイクロリレー
の断面図である。

【図１９】 第１０実施形態にかかる静電マイクロリレ
ーの断面図である。

【図２０】 第１１実施形態にかかる静電マイクロリレ
ーのアクチュエータを示す平面図である。

【図２１】 第１２実施形態にかかる静電マイクロリレ
ーを示し、図（ａ）は平面図、図（ｂ）は断面図であ
る。

【図２２】 本願発明にかかる第１３実施形態を示し、
図（ａ）は平面図、図（ｂ）は図２２（ａ）の２２Ｂ−
２２Ｂ線断面図である。

【図２３】 本願発明にかかる第１３実施形態のアクチ
ュエータを示す底面図である。

【図２４】 図２３に示した静電マイクロリレーの動作
を説明するための断面図である。

【図２５】 同一の駆動電圧を印加した場合における駆
動力を示すグラフ図である。

【図２６】 同一の梁反力とした場合における駆動力を
示すグラフ図である。

【符号の説明】

１０…ベース、１０ａ…突条、１０ｂ…絶縁膜、１１ａ
…ガラス基板、１１ｂ…シリコン基板、１２…固定電
極、１３，１４…固定接点、１５…絶縁膜、１６，１
７，１８，１９…接続パッド、１６ａ，１７ａ，１８
ａ，１９ａ…プリント配線、２０…アクチュエータ、２
１…アンカ、２２…第１薄板梁部、２３…第２薄板梁
部、２４…第３薄板梁部、２５…可動電極、２５ａ…凹
所、２５ｂ…突条、２６ａ…切り欠き部、２６ｂ，２６
ｃ…スリット、２７…絶縁膜、２８…可動接点、２９…
第２可動電極、２９ａ…絶縁膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−213191（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−224449（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01H 59/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベースに設けた固定電極と、このベース
   の上面に固定したアクチュエータの可動電極との間に電
   圧を印加して生じる静電引力で前記可動電極を駆動し、
   前記ベースに設けた固定接点に前記アクチュエータに設
   けた可動接点を接離させて電気回路を開閉する静電マイ
   クロリレーにおいて、 前記アクチュエータが、前記ベースに立設したアンカ
   と、このアンカの上面縁部から側方に延在する第１薄板
   梁部と、この第１薄板梁部の自由端から両側へ同一軸心
   上に延在する一対の第２薄板梁部と、この第２薄板梁部
   に回動可能に連結された可動電極とからなり、前記第１
   薄板梁部の自由端下面に可動接点を設けたことを特徴と
   する静電マイクロリレー。
2. 【請求項２】 前記第１薄板梁部のうち、前記可動接点
   近傍のアンカ側にスリットを設けて第３薄板梁部を形成
   したことを特徴とする請求項１に記載の静電マイクロリ
   レー。
3. 【請求項３】 ベースに設けた固定電極と、このベース
   の上面に固定したアクチュエータの可動電極との間に電
   圧を印加して生じる静電引力で前記可動電極を駆動し、
   前記ベースに設けた固定接点に前記アクチュエータに設
   けた可動接点を接離させて電気回路を開閉する静電マイ
   クロリレーにおいて、 前記アクチュエータが、前記ベースに突設した一対のア
   ンカと、このアンカの上面縁部に架け渡した第１薄板梁
   部と、この第１薄板梁部の略中央から側方へ直交方向に
   延在した第２薄板梁部と、この第２薄板梁部の自由端か
   ら側方へ同一軸心上に延在した可動電極とからなり、前
   記第１薄板梁部の略中央下面に可動接点を設けたことを
   特徴とする静電マイクロリレー。
4. 【請求項４】 ベースに設けた固定電極と、このベース
   の上面に固定したアクチュエータの可動電極との間に電
   圧を印加して生じる静電引力で前記可動電極を駆動し、
   前記ベースに設けた固定接点に前記アクチュエータに設
   けた可動接点を接離させて電気回路を開閉する静電マイ
   クロリレーにおいて、 前記アクチュエータが、前記ベースに並設した一対のア
   ンカと、このアンカの上面縁部から相互に平行となるよ
   うに側方に延在した一対の第１薄板梁部と、この第１薄
   板梁部の自由端から側方へ同一軸心上に延在した一対の
   第２薄板梁部と、この前記第２薄板梁部に片側縁部を回
   動可能に連結した可動電極とからなり、一対の前記第２
   薄板梁部の中間に位置する前記可動電極の下面に可動接
   点を設けたことを特徴とする静電マイクロリレー。
5. 【請求項５】 ベースに設けた固定電極と、このベース
   の上面に固定したアクチュエータの可動電極との間に電
   圧を印加して生じる静電引力で前記可動電極を駆動し、
   前記ベースに設けた固定接点に前記アクチュエータに設
   けた可動接点を接離させて電気回路を開閉する静電マイ
   クロリレーにおいて、 前記アクチュエータが、前記ベースに立設したアンカ
   と、このアンカの上面両端縁部から相互に平行となるよ
   うに側方に延在した一対の第１薄板梁部と、この第１薄
   板梁部の自由端から側方へ同一軸心上に延在した一対の
   第２薄板梁部と、この第２薄板梁部に片側縁部を回動可
   能に連結された可動電極とからなり、一対の前記第２薄
   板梁部の中間に位置する前記可動電極の下面に可動接点
   を設けたことを特徴とする静電マイクロリレー。
6. 【請求項６】 前記可動電極の前記可動接点近傍の自由
   端側にスリットを設けて第３薄板梁部を形成したことを
   特徴とする請求項４または５に記載の静電マイクロリレ
   ー。
7. 【請求項７】 前記可動電極の上面中央に凹所を設けて
   上面周辺縁部にリブを形成したことを特徴とする請求項
   １ないし６のいずれか１項に記載の静電マイクロリレ
   ー。
8. 【請求項８】 前記アクチュエータの可動電極を、前記
   ベース側に予め傾斜させたことを特徴とする請求項１な
   いし７のいずれか１項に記載の静電マイクロリレー。