JP3637804B2 - 静電リレー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電引力により可動電極を駆動して接点を開閉する静電リレーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、静電リレーとして、例えば、図５に示す構成のものがある（特開平３─１１２０３２号公報参照）。この静電リレーは、可動電極ブロック２００と固定電極ブロック２０１とで構成されている。可動電極ブロック２００は、可動電極部２０２と、その両側に並設される可動接点部２０３とを有している。固定電極ブロック２０１は、固定電極２０４と、固定接点２０５とを有している。
そして、両電極２０２，２０４間に電圧を印加すると、発生する静電引力により可動電極部２０２が駆動し、可動接点部２０３が固定接点２０５に開閉するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記静電リレーでは、接点開離力を可動電極部２０２自身の弾性力により得ている。
【０００４】
このため、静電リレーを薄型化すべく、可動電極ブロック２００を薄肉に形成した場合、所望の開離力が得られず、接点の粘着が発生しやすくなる。特に、接点には接触抵抗の小さなＡｕを使用しているので、粘着の問題は顕著となる。接点に白金系材料を使用することも考えられるが、それでは接触抵抗が高くなるばかりか、ブラウンパウダーが発生し、所望の動作特性を維持できない。特に、静電リレーでは、接点圧が小さいため、この問題の回避は困難である。
【０００５】
一方、接点に所望の開離力を得るために、可動電極ブロック１００を厚肉としたり、別個にエレクトレットや固定電極ブロック１０１を設けることも考えられるが、いずれの構成であっても薄型化の要請に反することになる。また、可動電極ブロック１００を厚肉とした場合、駆動電圧が大きくなる。一方、エレクトレットや固定電極ブロック１０１を設ける場合、部品点数が増える分、コストアップを招来するという問題もある。
【０００６】
そこで、本発明は、薄型で安価に製作可能な上、接点を適切に開放することのできる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】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、固定電極に対向配設した可動電極を駆動し、前記固定電極に並設した一対の固定接点に、前記可動電極に形成した可動接点を接離することにより、前記両固定接点を電気的に開閉するようにした静電リレーにおいて、前記可動接点を、一対の弾性支持部を介して両側から弾性支持する可動接点部に形成し、前記可動接点部を湾曲させることにより、前記可動電極が前記固定電極に吸引された際、前記可動接点部が縁部を前記固定接点に当接させた後、弾性変形して平坦な形状となるように構成したものである。
【０００８】
この構成により、静電引力で可動電極が駆動し、接点が閉成する前に、可動電極の一部が固定電極に当接する。この場合、湾曲させることにより増大した弾性力が、固定電極から可動電極を離間させる力として作用するが、基板同士が接近することにより十分な静電引力が得られるので、接点閉成の妨げとなることはない。そして、印加電圧を除去すれば、湾曲により増大した弾性力が、固定電極から可動電極を離間させる力として作用し、接点の開放を適切に行わせる。
【０００９】
前記可動接点部の湾曲は、当該可動接点部の表面に形成した絶縁膜や可動接点の膜応力により得ることができ、特別な加工工程の追加は不要である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。
【００１１】
図１及び図２は、本実施形態に係る静電リレーを示す。この静電リレーは、固定基板１と可動基板２とを備える。
【００１２】
固定基板１は、図１（ｂ）に示すように、ガラス基板３の上面に、スパッタリング、蒸着、メッキ、スクリーン印刷等により信号線４ａ，４ｂ、固定電極５及びパッド６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを形成したものである。信号線４ａ，４ｂは所定間隔で並設され、その一端部は直角方向に屈曲する固定接点７ａ，７ｂ、他端部はパッド６ａ，６ｂとなっている。固定電極５は、前記両信号線４ａ，４ｂを囲むように配設され、前記パッド６ｃに接続されている。また、固定電極５の表面は絶縁膜８によって被覆されている。なお、パッド６ｄは、後述する可動電極部１０に電気接続され、又、各パッド６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄには図示しない引出線が接続されるようになっている。
【００１３】
可動基板２は、図１（ａ）に示すように、シリコン基板にエッチング等の加工を施すことにより、第一弾性支持部９ａ，９ｂを介して可動電極部１０を弾性支持し、その中央部に第二弾性支持部１１ａ，１１ｂを介して可動接点部１２を弾性支持する構成としたものである。第一弾性支持部９ａ，９ｂの自由端は、前記固定基板１に接合されるアンカ１３ａ，１３ｂとなっている。一方のアンカ１３ｂは、前記固定基板１のパッド６ｄに接続される。可動電極部１０は、前記信号線４ａ，４ｂに対応する部分に切除部１４が形成されている。可動接点部１２は、可動電極部１０の切除部１４の対向縁から延設した第二弾性支持部１１ａ，１１ｂによって揺動可能に支持されている。第二弾性支持部１１ａ，１１ｂは、前記第一弾性支持部９ａ，９ｂよりも大きな弾性力を有している。可動接点部１２の下面には絶縁膜１５を介して可動接点１６が設けられ、上方に向かって湾曲している（図４（ｂ）参照）。そして、この湾曲形状により、所望の接点開離力が得られるようになっている。
【００１４】
続いて、前記静電リレーの製造方法について説明する。
【００１５】
まず、図３（ａ）に示すパイレックス等のガラス基板３に図３（ｂ）に示すように固定電極５、固定接点７ａ，７ｂを形成する。また同時に、信号線４ａ，４ｂ、及び、パッド６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄをそれぞれ形成する。そして、前記固定電極５に絶縁膜８を形成することにより、図３（ｃ）に示す固定基板１を完成する。
【００１６】
なお、前記絶縁膜８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。
【００１７】
一方、図３（ｄ）に示すように、上面側からシリコン層１０１，酸化シリコン層１０２及びシリコン層１０３からなるＳＯＩ（silicon-on-insulator)ウェハ１００の下面に、接点間ギャップを形成するため、例えば、シリコン酸化膜１０３をマスクとするＴＭＡＨによるウェットエッチングを行い、図３（ｅ）に示すように、下方側に突出するアンカ１３を形成する。そして、図３（ｆ）に示すように、絶縁膜１５を設けた後、可動接点１６を形成する。
【００１８】
このとき、絶縁膜１５、可動接点１６等の厚みや材質を任意に選択し、所望の膜応力を発生させることにより可動接点部１２を湾曲させる。例えば、厚さ２０μｍの可動接点部１２では、絶縁膜１５の厚さを０．５〜１μｍとすればよい。また、可動接点部１２をＴｉ、絶縁膜１５をＰｔ、可動接点１６をＡｕとし、絶縁膜１５（Ｐｔ）の厚みを０．５〜１μｍとしてもよい。さらに、可動接点１６に、硬度の大きい白金系金属（Ｐｔ，Ｒｕ等）で構成してもよい。
【００１９】
次いで、図３（ｇ）に示すように、前記固定基板１に前記ＳＯＩウェハ１００を陽極接合で接合一体化する。そして、図３（ｈ）に示すように、ＳＯＩウェハ１００の上面をＴＭＡＨ，ＫＯＨ等のアルカリエッチング液で酸化膜である酸化シリコン層１０２までシンニングする。さらに、フッ素系エッチング液で前記酸化シリコン層１０２を除去して、図３（ｉ）に示すようにシリコン層１０３すなわち可動電極部１０を露出させる。そして、反応性イオンエッチング法（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、切除部１４及びスリット２ｂを形成して第一，第二弾性支持部９ａ，９ｂ、１１ａ，１１ｂを切り出し、可動基板２を完成する。
【００２０】
なお、固定基板１はガラス基板３に限らず、少なくとも上面を絶縁膜で被覆した単結晶シリコン基板で形成してもよい。
【００２１】
次に、前記構成からなる静電マイクロリレーの動作について図４の模式図を参照して説明する。
【００２２】
両電極５，１０間に電圧を印加せず、静電引力を発生させていない状態では、図４（ａ）に示すように、第一弾性支持部９ａ，９ｂは弾性変形せず、アンカ１３ａ，１３ｂ（図１参照）から水平に延びた状態を維持するので、可動基板２は固定基板１と所定間隔で対向する。したがって、可動接点１６は、図４（ｂ）に示すように、両固定接点７ａ，７ｂから開離し、湾曲した形状を維持する。
【００２３】
ここで、両電極５，１０間に電圧を印加して静電引力を発生させると、図４（ｃ）に示すように、第一弾性支持部９ａ，９ｂが弾性変形し、可動基板２が固定基板１に接近する。これにより、まず、図４（ｄ）に示すように、湾曲した可動接点部１２の縁部が固定接点７ａ，７ｂに当接する。
【００２４】
そして、図４（ｅ）に示すように、第一弾性支持部９ａ，９ｂに加えて第二弾性支持部１１ａ，１１ｂが撓み、可動電極部１０が固定電極５に吸着される。そして、可動接点１６は、その周囲の可動電極部１０が固定電極５に吸着されることにより、第二弾性支持部１１ａ，１１ｂを介して固定接点７ａ，７ｂに押し付けられる。この結果、図４（ｆ）に示すように、可動接点部１２が平坦となり、可動接点１６は固定接点７ａ，７ｂに面接触して閉成する。このため、片当たりが発生せず、接触信頼性が向上する。
【００２５】
このとき、第一、第二弾性支持部９ａ．９ｂ、１１ａ，１１ｂが可動電極部１０を上方に引張る力をFs1，Fs2、絶縁膜８を介した可動電極部１０と固定電極５との間の静電引力をFe、絶縁膜８の表面からの抗力をFnとすると下記の関係がある。そして、第一、第二弾性支持部９ａ，９ｂ、１１ａ，１１ｂのバネ係数、可動電極部１０と固定電極５との初期ギャップ、接点の厚み等を設計することにより、Fn、Fs1を小さくし、Fs2、すなわち接触荷重の（理想モデルからの）低下を抑えることが可能である。
【００２６】
【数１】
F_e＝ F_s1＋F_s2＋F_n
【００２７】
その後、両電極５，１０間の印加電圧を除去すると、第一、第二弾性支持部９ａ，９ｂ、１１ａ，１１ｂの弾性力のみならず、可動接点部１２の変形に伴う弾性力をも接点開離力として作用させることができる。したがって、たとえ接点間に粘着や溶着等が発生していても、確実に開離させることが可能となる。そして、接点開離後、可動基板２は第一弾性支持部９ａ，９ｂの弾性力によって元の位置に復帰する。
【００２８】
このように、前記実施形態では、可動接点部１２を湾曲させたので、接点開離力を大幅に増大させることができ、印加電圧除去時の可動基板２の動作をスムーズに行わせることが可能となる。また、接点開閉時に、可動接点部１２自身が湾曲形状と平坦形状とに変形することにより、可動接点１６が固定接点７ａ，７ｂに摺接するので、いわゆるワイピング効果が得られ、接点表面は常に良好な状態に維持可能となる。
【００２９】
また、可動基板２全体をシリコンウェハ単体で形成すると共に、左右点対称となるように形成されている。このため、可動電極部１０に反りや捩りが生じにくい。したがって、動作不能，動作特性のバラツキを効果的に防止できると共に、円滑な動作特性を確保可能となる。
【００３０】
なお、前記実施形態の可動電極部１０の構成は、他の静電リレーにも適用することができる。例えば、図５に示す特開平３─１１２０３２号公報に記載の静電リレーに適用する場合、可動電極部２０２又は可動接点部２０３の少なくともいずれか一方を湾曲させるようにすればよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る静電リレーによれば、可動接点部を湾曲させることにより、その縁部が固定接点に当接した後、全体が弾性変形するようにしたので、湾曲により増大させた弾性力を固定電極から可動電極を離間させる力として作用させることができる。これにより、接点を適切に開放させることが可能となる。
【００３２】
特に、可動接点部の湾曲は、当該可動電極の表面に形成した絶縁膜や可動接点の膜応力により得るようにしたので、特別な加工工程の追加は不要となり、安価に製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施形態に係る静電リレーの分解斜視図である。
【図２】 図１に示す静電リレーの平面図である。
【図３】 図１に示す静電リレーの加工工程を示す断面図（図２のＡ─Ａ線断面のもの）である。
【図４】 図１に示す静電リレーの動作を示す模式図である。
【図５】 従来例に係る静電リレーの分解斜視図である。
【符号の説明】
１…固定基板
２…可動基板
５…固定電極
７ａ，７ｂ…固定接点
９ａ，９ｂ…第一弾性支持部
１０…可動電極部
１１ａ，１１ｂ…第二弾性支持部
１２…可動接点部
１５…絶縁膜
１６…可動接点

Claims (3)

1. 固定電極に対向配設した可動電極を駆動し、前記固定電極に並設した一対の固定接点に、前記可動電極に形成した可動接点を接離することにより、前記両固定接点を電気的に開閉するようにした静電リレーにおいて、
   前記可動接点を、一対の弾性支持部を介して両側から弾性支持する可動接点部に形成し、
   前記可動接点部を湾曲させることにより、前記可動電極が前記固定電極に吸引された際、前記可動接点部が縁部を前記固定接点に当接させた後、弾性変形して平坦な形状となるように構成したことを特徴とする静電リレー。
2. 前記可動接点部の湾曲は、当該可動接点部の表面に形成した絶縁膜の膜応力により得たことを特徴とする請求項１に記載の静電リレー。
3. 前記可動接点部の湾曲は、当該可動接点部の表面に形成した可動接点の膜応力により得たことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電リレー。

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