JP4144717B2 - 静電リレー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電引力を利用する静電アクチュエーターを、駆動源として用いた静電リレーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電リレーは、従来の電磁石を利用した電磁式リレーと異なり、静電引力を駆動力として接点の開閉を行うリレーであり、電磁力を発生するためのコイルが不要で機械部品が少なく、小型化が可能であること、及び本質的にコンデンサーである静電アクチュエーターを駆動源として用いるため、低消費電力であるという特徴があり、実用化に向けて研究が進められている。
【０００３】
このような、静電リレーとしては、例えば特開平２−１００２２４号公報にあるように、単結晶Ｓｉを選択エッチングによりトーションバー弾性体とそれに接続されたシーソー状構造体とを形成し、その構造体に静電アクチュエーターの可動電極部とリレーの可動接点とを形成して、それぞれに対向する位置に固定電極と固定接点とを設けた電気絶縁性基板上にスペーサーを介して配置したものがある。
【０００４】
この静電リレーは、動作時に固定電極と可動電極間に電圧を印加することにより、トーションバー弾性体のねじれによって、電圧が印加された側のシーソー状構造体が回転運動を行い可動接点を固定接点に接触させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この静電リレーでは、可動接点が、シーソー状構造体の端部に設けられているため、接触時に、可動接点が固定接点に対し傾斜状態で接触するため十分な接触面積が得られず、接点抵抗が高くなる。また、可動接点を設ける構造体の位置を適切に選ばないと構造体が可動接点と同時に接触してしまうため、接点間の圧力が不十分になる可能性がある。
【０００６】
さらに、このような構成の静電リレーは、固定電極に対向する可動電極が、トーションバー弾性体により空隙を介して保持されたシーソー状構造体の可動接点位置よりも回動支点寄りに形成されるため、可動接点が固定接点に接触し、シーソー状構造体の回転運動が停止した時点で、固定電極と可動電極との間に楔状のエアギャップが生じる。
【０００７】
ところが静電引力は電極間隔の逆自乗に比例する。従って、静電アクチュエーターは吸引動作時でもこのエアギャップのため静電引力が小さくなってしまう。このため接点に十分な圧力がかからないので接点抵抗を十分小さくすることができず、またこれを克服するために動作電圧を高くすることは静電リレーの実用性を著しく妨げることになる。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑み、低電圧駆動、低接点抵抗、高接点容量の実用性の高い静電リレーを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の静電リレーは、
基板と、
前記基板上に前記基板との空隙を持って保持された両持ち梁状のねじれ弾性部と、
前記基板と対向するように前記ねじれ弾性部に支持されて前記ねじれ弾性部から少なくとも一方の側に延長し、前記ねじれ弾性部のねじれ弾性変形により回転可能な可動構造部と、
前記可動構造部の前記ねじれ弾性部と反対側の端部で、前記基板と対向する面に配置された少なくとも１個の可動接点と、
前記可動構造部の回転支点と前記可動接点との間に位置するように前記可動構造部に配置された可動電極と、
前記可動接点に接触可能に対向するように前記基板上に形成された少なくとも１個の固定接点と、
前記可動電極に対向する如く前記基板上に形成された固定電極とを備え、
前記可動構造部は、前記回転支点と前記可動電極の配置部分との間に形成した回転支点側弾性連絡部、または、前記可動電極の配置部分と前記可動接点の配置部分との間に形成した端部側弾性連絡部、のうち少なくともいずれか一方を有し、前記弾性連絡部は、前記可動接点と前記固定接点とを面接触可能とし、
前記回転支点側弾性連絡部は、前記可動構造部に貫通孔を形成して設けた、前記ねじれ弾性部と平行な軸を有する両持ち梁状部を有するとともに、この両持ち梁状部と、前記可動電極の配置部分とを連結し、
前記端部側弾性連絡部は、前記可動構造部に貫通孔を形成して設けた、前記ねじれ弾性部と平行な軸を有する両持ち梁状部を有するとともに、この両持ち梁状部と、前記可動接点の配置部分とを連結するように構成したことを特徴としている。
【００１１】
また、前記静電リレーにおいて、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されたとき、前記可動電極と前記固定電極との間に静電引力が働き、まず前記ねじれ弾性部のねじれ弾性変形により前記可動構造部は前記可動接点が前記固定接点に接触するまで回転し、その後、前記弾性連絡部の弾性変形により前記可動接点と前記固定接点とが平行状態となって面接触可能であるとよい。
【００１２】
さらに、前記可動構造部は、前記回転支点と前記可動電極の配置部分との間、及び、前記可動電極の配置部分と前記可動接点の配置部分との間、の双方が弾性連絡部となっていて、前記可動電極と前記固定電極間との間に電圧が印加されたとき、前記回転支点と前記可動電極の配置部分との間の前記弾性連絡部の弾性変形により前記可動電極が前記固定電極に対して平行乃至平行に近い近接状態に吸引されるように構成するとよい。
【００１３】
なお、前記可動電極と前記固定電極間に誘電体層が介在していてもよい。
【００１４】
また、前記可動構造部が前記両持ち梁状のねじれ弾性部の両側に延長しており、前記回転支点に対して少なくとも一方の側に前記可動接点が、両側に前記可動電極がそれぞれ配置されるとともに、両側の前記可動電極にそれぞれ対向する如く前記基板上に前記固定電極が形成された構成としてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る静電リレーの実施の形態を図面に従って説明する。
【００１６】
図１乃至図４は本発明に係る静電リレーの第１の実施の形態を示す。これらの図において、静電リレーは、絶縁性基板１と、基板１上に立設、固定されたアンカー構造体２と、アンカー構造体２で基板１から空隙を持って保持された両持ち梁状のねじれ弾性部３と、ねじれ弾性部３による弾性支持によって回動自在なリレー構造体をなす可動構造部１０とを具備している。前記絶縁性基板１は少なくとも表面が絶縁処理されているもので、例えば表面にＳｉＯ2絶縁層を設けた単結晶Ｓｉ基板等である。アンカー構造体２、両持ち梁状のねじれ弾性部３、可動構造部１０の３者は多結晶Ｓｉ等により一体に形成されている。
【００１７】
リレー構造体を構成する可動構造部１０は、前記両持ち梁状のねじれ弾性部３に接続する両持ち梁接続部１１、可動電極支持部１２、可動接点支持部１３、及び可動電極支持部１２と可動接点支持部１３とを接続する弾性連絡部１４から構成されており、弾性連絡部１４は両持ち梁状に形成され、そのねじれにより可動接点支持部１３が回転動作可能になっている。
【００１８】
リレー構造体としての可動構造部１０の基板対向面側には、図２乃至図４の如くそれぞれ可動電極２０及びこの表面を被覆した絶縁層（誘電体層）２１、可動接点２２が形成、配置され、これらに対向する基板上に固定電極４及び固定接点５が形成、配置されている。絶縁性基板１上に固定された固定電極４と可動電極支持部１２に固定された可動電極２０とは両者間に印加された電圧により静電引力を発生する静電アクチュエーターを構成する部分であり、固定電極４と可動電極２０とは図示しない配線により外部電源に接続される。
【００１９】
次に、第１の実施の形態で示した静電リレーの動作原理を説明する。図２は非動作状態（電圧を印加しない状態）での各電極及び各接点の位置を示し、接点５，２２間は開いている。静電アクチュエーターを構成する固定電極４と可動電極２０間に電圧を印加すれば、両電極間には静電引力が発生し、図３のようにリレー構造体としての可動構造部１０は、両持ち梁状のねじれ弾性部３のねじれ弾性変形により可動接点２２が固定接点５に接触するまで、基板側に回転運動する。この回動支点は図１の線Ｐの位置である。
【００２０】
従来の静電リレーでは、この時点でリレー構造体の動作が停止する。このとき図３から明らかなように可動接点２２と固定接点５は点接触状態であり、十分な接触面積が得られず、接点抵抗が高くなってしまう。また、接触点が小さく、抵抗が高いため、通過電流が集中して接点温度上昇を招き、接点の溶着等の故障を発生しやすくなる。更にまた静電アクチュエーターの固定電極４と可動電極２０の間隔が広いため十分な静電引力を発生することができず、接点圧力が十分とれない。このことは接点抵抗の上昇を招く。接点圧力を上げるためには更に高い電圧を印加せねばならず、静電リレーの動作電圧が高くなって実用性に欠けてしまう。
【００２１】
しかしながら、本実施の形態の静電リレーでは、更にこの時点から、静電アクチュエーターの吸引力により弾性連絡部１４が変形され、ついには図４に示すように可動接点２２が固定接点５に対し平行になるように変形する。図４から明らかなように、この時で接点５，２２は平行状態で面接触し、図１のように一対の固定接点５が可動接点２２で短絡され十分低い接点抵抗と十分大きな接点電流容量を得ることができる。更に、静電アクチュエーターの電極４，２０間の距離は図３の状態と比較して著しく近接させることができる。つまり、静電アクチュエーターの静電引力は電極間隔の自乗に逆比例するため、動作電圧が低くとも接点に十分な圧力を加えることができ、低い接点抵抗と低動作電圧という従来の静電リレーでは困難であった特性が達成できる。
【００２２】
なお、電極４，２０間の電圧を零にすれば、弾性部３のねじれ弾性変形が元の状態に戻り、可動構造部１０は図２の非動作状態に復帰する。
【００２３】
この第１の実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。
【００２４】
(1) 弾性連絡部１４が、リレー構造体を構成する可動構造部１０における可動電極２０と可動接点２２間に位置し、固定電極４と可動電極２０間への電圧印加時に、ねじれ弾性変形により固定接点５と可動接点２２とを平行状態で接触可能に構成したので、接点５，２２を面接触させて、十分低い接点抵抗と十分大きな接点電流容量を得ることができる。
【００２５】
(2) 静電アクチュエーターの電極４，２０間の距離は従来構造の場合の限界であった図３の状態と比較して著しく近接させることができ、静電引力を大きくして動作電圧が低くとも接点に十分な圧力を加えることができ、低動作電圧で作動可能な静電リレーを実現できる。
【００２６】
(3) 可動電極２０を絶縁層２１で覆っており、電極４，２０が直接接触する短絡事故を確実に防止できる。なお、可動電極２０と固定電極４間に絶縁層２１が介在しても、絶縁層２１は空気に比べて誘電率の高い誘電体であり、絶縁層２１の存在による静電引力の低下は考えなくてよい（無視できる。）。
【００２７】
なお、第１の実施の形態では、弾性連絡部１４として、両持ち梁のねじれ弾性を用いる構造を示したが、弾性連絡部の構成は、これに限るものではなく、静電リレー動作電圧印加時に弾性変形により前記可動接点と前記固定接点を平行に接触させ得るように配置され、前記固定電極と可動電極間に発生する静電引力にて前記両接点が平行に接触するに至る変形が可能な弾性率を持てばよく、例えば可動電極支持部１２から引き出された片持ち梁形状等をとっても同様の効果が得られる。
【００２８】
図５乃至図８は本発明の第２の実施の形態を示す。これらの図において、リレー構造体を構成する可動構造部３０は、絶縁性基板１からアンカー構造体２を介して両持ち梁状のねじれ弾性部３によって基板１から空隙を持って保持される。可動構造部３０は、可動電極支持部３２、可動接点支持部３３、及び両持ち梁状のねじれ弾性部３と可動電極支持部３２とを所定の長さで接続する弾性連絡部３４から構成されており、弾性連絡部３４は、可動電極支持部３２より細く複数の帯状に形成され、上下面に垂直な方向への弾性変形（撓みによる変形）により可動電極支持部３２と可動接点支持部３３が変移可能になっている。
【００２９】
リレー構造体としての可動構造部３０の基板対向面側には、図６乃至図８の如くそれぞれ可動電極２０及び可動接点２２が形成、配置され、これらに対向する基板上に固定電極４及びこの表面を被覆した絶縁層（誘電体層）６、固定接点５が形成、配置されている。絶縁性基板１上に固定された固定電極４と可動電極支持部３２に固定された可動電極２０とは両者間に印加された電圧により静電引力を発生する静電アクチュエーターを構成する部分である。
【００３０】
なお、その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様である。
【００３１】
次に、第２の実施の形態で示した静電リレーの動作原理を説明する。図６は非動作状態（電圧を印加しない状態）での各電極及び各接点の位置を示し、接点５，２２間は開いている。静電アクチュエーターを構成する固定電極４と可動電極２０間に電圧を印加すれば、両電極間には静電引力が発生し、図７のようにリレー構造体としての可動構造部３０は、両持ち梁状のねじれ弾性部３のねじれ弾性により可動接点２２が固定接点５に接触するまで、基板側に回転運動する。
【００３２】
従来の静電リレーでは、この時点でリレー構造体の動作が停止するため、第１の実施の形態の動作説明にて述べた如く、接点接触面積の不足、接点圧力の不足、高い動作電圧等の問題点が生じる。
【００３３】
しかしながら、本実施の形態の静電リレーでは、更にこの時点から、静電アクチュエーターの吸引力により所定の長さを持つ弾性連絡部３４が撓んで変形され、ついには図８に示すように、可動電極２０と固定電極４とが平行乃至平行に近い状態になり、更に可動接点２２と固定接点５も平行状態になるように変形する。図８から明らかなように、この時接点５，２２は平行状態で面接触し、十分低い接点抵抗と大きな接点電流容量を得ることができる。更に、静電アクチュエーターの電極４，２０間の距離は図７の状態と比較して、絶縁層６を介してほぼ接触に至るまで近接させることができ、極めて強い静電引力を発生することができる。従って、低い動作電圧でも接点に十分な圧力を加えることができ、低い接点抵抗と低動作電圧という従来の静電リレーでは困難であった特性が容易に達成できる。
【００３４】
このように、第２の実施の形態によれば、撓み変形可能な所定長の弾性連絡部３４が、リレー構造体をなす可動構造部３０における回動支点Ｐ（両持ち梁状のねじれ弾性部３のねじれ中心）と可動電極２０間に位置しており、固定電極４と可動電極２０間への電圧印加時に、弾性変形により可動電極２０が固定電極４に対して平行乃至平行に近い近接状態に吸引されるように構成でき、静電引力を大きくできるとともに、接点５，２２を面接触させて、十分低い接点抵抗と十分大きな接点電流容量を得ることを可能とし、さらには低動作電圧の静電リレーを実現できる。
【００３５】
なお、第２の実施の形態では、弾性連絡部３４として、可動構造部３０の細く形成された所定長部分の基板に対する垂直方向への弾性変形を用いる構造を示したが、弾性連絡部の構成は、これに限るものではなく、静電リレー動作電圧印加時に弾性変形により可動電極と固定電極とが平行になり得るように配置され、前記固定電極と可動電極間に発生する静電引力にて両電極が平行乃至平行に近い状態に至る変形が可能な弾性率を持てばよく、例えば図１で示した弾性連絡部１４のような、両持ち梁のねじれ回転を用いても同様の効果が得られる。
【００３６】
図９乃至図１１は本発明の第３の実施の形態であり、弾性連絡部が、リレー構造体を構成する可動構造部における可動電極と可動接点間に設けられているとともに、可動構造部の回動支点（両持ち梁状のねじれ弾性部のねじれ中心）と可動電極間にも設けられている場合を示す。これらの図において、リレー構造体を構成する可動構造部４０は、絶縁性基板１からアンカー構造体２を介して両持ち梁状のねじれ弾性部３によって基板１から空隙を持って保持される。可動構造部４０は、所定長の両持ち梁接続部４１、可動電極支持部４２、可動接点支持部４３、両持ち梁接続部４１の先端部と可動電極支持部４２とを接続する第１の弾性連絡部４４、及び可動電極支持部４２と可動接点支持部４３とを接続する第２の弾性連絡部４５から構成されている。第１及び第２の弾性連絡部４４，４５は、両持ち梁状のねじれ弾性部であり、両持ち梁接続部４１の先端側に対して可動電極支持部４２が第１の弾性連絡部４４により回動自在に、可動電極支持部４２の先端側に対して可動接点支持部４３が第２の弾性連絡部４５により回動自在にそれぞれ支持されている。
【００３７】
なお、その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
図１０及び図１１に第３の実施の形態に係る静電リレーの動作状況を示す。図１０は非動作状態（電圧を印加しない状態）での各電極及び各接点の位置を示す。静電アクチュエーターを構成する固定電極４と可動電極２０間に電圧を印加すれば、両電極間には静電引力が発生し、図１１のようにリレー構造体としての可動構造部４０は、両持ち梁状のねじれ弾性部３のねじれ弾性変形により可動接点２２を固定接点５に接触させ、さらに第１及び第２の弾性連絡部４４，４５のねじれ弾性変形により可動接点２２と固定接点５を平行に密着させた状態に至るまで、基板側に回転運動する。
【００３９】
この図１１から明らかなように、この第３の実施の形態を取った場合、ねじれ弾性部である第１及び第２の弾性連絡部４４，４５の弾性率を適切に選ぶことにより、可動接点２２と固定接点５とを平行に密着させた上で、静電アクチュエーターの可動電極２０と固定電極４をほぼ平行に保ちながら、かつエアギャップを持って対向させることが可能になる。このことは、例えば、図３に示したような楔形エアギャップを持った場合より更に強い静電引力を得ることができると同時に、可動電極２０と固定電極４の接触を完全に避けることが可能になる。従って、静電アクチュエーターを構成するための可動電極２０又は固定電極４上に形成される絶縁層が不要、もしくは絶縁耐圧を低くすることができるとともに、アクチュエーター電極間の不用意な接触による固着等の問題を避けることが可能となる。
【００４０】
図１２及び図１３は本発明の第４の実施の形態であり、リレー構造体を、基板から該リレー構造体を回転支持する両持ち梁状のねじれ弾性部の両側に延長し、該両持ち梁状のねじれ弾性部に対して対称形状に配置した例を示す。すなわち、第４の実施の形態に係る静電リレーは、絶縁性基板１と、基板１上に立設、固定されたアンカー構造体２と、アンカー構造体２で基板１から空隙を持って保持された両持ち梁状のねじれ弾性部３と、ねじれ弾性部３による弾性支持によって回動自在なように両側に対称配置されたリレー構造体をなす可動構造部１０Ａ，１０Ｂとを具備している。各可動構造部１０Ａ，１０Ｂの電極及び接点構成等は、前述した第１の実施の形態と同様であるので、同一又は相当部分に同一符号を付して詳細は省略する。
【００４１】
この第４の実施の形態の構成を取れば、静電リレー動作時に左右の静電アクチュエーターの電極４，２０間に図１４に示すような反転出力電圧を与えることにより、一方のリレー接点５，２２のオフ（ＯＦＦ）動作時に、当該接点の引き離し作用が両持ち梁状のねじれ弾性部３の弾性による復帰運動のみによらず、反対側静電アクチュエーターの静電引力を用いることが可能になり、確実なリレー接点のオフ動作が可能になる。
【００４２】
また、この時、左右の固定接点の一方の極を図１２に図示の如く共通に接続すれば、図１５に示すように切り替えスイッチを容易に構成することが可能である。
【００４３】
さらに、可動構造部１０Ａ，１０Ｂのいずれか一方の可動接点２２及びこれに対向する基板側の固定接点５の組を省略して、オフ動作の確実性を向上させた構成とすることもできる。
【００４４】
なお、今まで説明した各実施の形態では静電アクチュエーターの一方の電極となる可動電極をリレー構造体（可動構造部）の基板面側に形成した例を示したが、同電極位置はこれに限らず、実質的に固定電極と可動電極間に静電引力を発生させ得ればよく、例えば静電アクチュエーターの構造体、つまりリレー構造体が高誘電率の絶縁体や高抵抗体であれば、可動電極位置をリレー構造体の基板面側の反対面に配置してもよく、また、前記構造体自体を導電性部材で構成すれば、当該構造体自体を可動電極とすることも可能である。
【００４５】
また、リレー構造体（可動構造部）の端部に配置される可動接点２２は１個に限らず、複数個配置される場合もある。
【００４６】
【実施例】
次に本発明を実施例により具体的に説明する。
【００４７】
図１６及び図１７は本実施例で形成した静電リレーの平面図及び側面図である。本実施例では、まず、図１８（Ａ）のように熱酸化法により厚さ約１μｍのＳｉＯ2絶縁層５１ａを形成した単結晶Ｓｉ板５１を基板とし、厚さ５００ｎｍ程度のＡｕをスパッタ法により基板全面に形成し、次にフォトエッチングを用い、静電アクチュエーターの固定電極５４とリレーの固定接点５５をそれぞれパターニングした。次に反応性スパッタ法により、基板全面に約１００ｎｍのＳｉＮ絶縁層を形成し、同じくフォトエッチング法により静電アクチュエーターの固定電極５４上を残して同絶縁層を選択除去し、絶縁層５６とした。
【００４８】
次に、図１８（Ｂ）のように減圧ＣＶＤ法を用い、基板全面に犠牲層８１となるＳｉＯ2膜を約３μｍ程度堆積した。それから可動接点７２に相当する位置のＳｉＯ2膜をＲＩＥ法により約５００ｎｍ掘り下げ、更に基板全面に約５００ｎｍのＡｕ膜を約２０ｎｍのＳｉＮ反応防止層とともに形成し、所定の形状にフォトエッチングでパターニングして静電アクチュエーターの可動電極７０及びリレーの可動接点７２を形成した。さらにこの後、犠牲層８１のＳｉＯ2膜のアンカー構造体５２に相当する部分８２をフォトエッチングを用いて選択除去する。
【００４９】
最後に減圧ＣＶＤ法を用い、図１８（Ｃ）のように基板全面に多結晶Ｓｉ膜８３を約４μｍ形成し、以下に述べるリレー構造体となる可動構造部の形状にＲＩＥ法によりパターニングした。
【００５０】
この後、犠牲層８１のＳｉＯ2膜をＨＦにより選択エッチングし、図１６及び図１７に示したリレー構造体となる可動構造部６０をリリースして形成した。
【００５１】
両持ち梁状のねじれ弾性部５３はアンカー構造体５２からの長さａが約１００μｍ、幅約６μｍ程度である。また、リレー構造体を構成する可動構造部６０は、長さｂが約１００μｍの両持ち梁接続部６１、幅ｃ及び長さｄがそれぞれ約２００μｍの可動電極支持部６２、幅約６μｍ、長さｅが約５０μｍの両持ち梁状のねじれ弾性連絡部６４、及び長さｆが約５０μｍの可動接点支持部６３から構成され、可動構造部６０全体が両持ち梁状のねじれ弾性部５３のねじれ弾性により回転可動であると同時に、可動接点支持部６３が両持ち梁状の弾性連絡部６４のねじれ弾性により回転可動構造となる。
【００５２】
本実施例に係る静電リレーは、静電アクチュエーターを構成する電極５４，７０間に約２０Ｖ弱の動作電圧を印加することにより、接点５５，７２が閉じ、この時の接点抵抗は約０．２Ωで、接点電流１００ｍＡ以上を流すことが可能であった。この値は小信号用リレーとして、十分実用可能な特性であり、犠牲層となるＳｉＯ2膜の膜厚を小さくすることや、静電アクチュエーター電極面積の拡大、等の形状寸法変更により、さらに低電圧動作とすることも可能である。
【００５３】
比較例として、同様の構造で可動接点支持部を弾性支持する弾性連絡部を持たない従来構造を作成し、評価した結果、同じく動作電圧は約２０Ｖ弱ではあるが、接点抵抗は５〜１０Ω以上の高い値を示し、１Ω以下の接点抵抗に下げるためには５０Ｖ以上の動作電圧が必要であった。更に接点電流を数ｍＡ流したところ、接点が溶着し、オフ動作が不可能になった。
【００５４】
以上からも明らかなように、本発明の静電リレー構造を用いれば、従来不可能であった、低電圧駆動、低接点抵抗、高接点容量の実用性の高い静電リレーが容易に構成可能である。
【００５５】
なお、本実施例では、薄膜形成技術を用いてリレー構造体となる可動構造部を形成した例を示したが、本発明の静電リレーの構成方法はこれに限るものではなく、例えば可動構造部として単結晶Ｓｉ基板に可動接点と可動電極を形成して、異方性エッチング等の技術を用いて所定の構造に形成後、同じく固定接点と固定電極を形成した絶縁基板上にスペーサーを介して貼り付けても良い。このような場合でも、従来の構造と比較して、容易に低電圧駆動、高接点容量の特性を得ることが可能である。
【００５６】
また、リレー構造体となる可動構造部として、表面に絶縁加工をした金属薄板を用いることも可能である。このような方法で形成された静電リレーは、薄膜形成技術を用いた静電リレーと比較して、より大きな接点電流を流す用途に適用可能である。
【００５７】
以上本発明の実施の形態及び実施例について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る静電リレーによれば、従来の静電リレーが問題として抱えていた、接点同士の点接触とそれによる接点電流容量不足、接点抵抗上昇等の問題を解決し、接点同士を面接触させることが可能になり、大きな接点容量と低い接点抵抗を達成可能である。
【００５９】
更に従来、静電アクチュエーターを構成する電極間の距離が、動作時に十分近接できないために生じていた、接点圧力不十分とそれによる接点抵抗上昇、またこれを克服するために動作電圧が高くなってしまう問題点も、本発明の構成を用いれば、前記電極間距離を従来と比較して著しく接近させることが可能であるため、十分な接点圧力とそれによる低い接点抵抗を、従来より低い動作電圧で達成することが可能になる。
【００６０】
これらのリレー特性の著しい改善により、本発明は従来の静電リレーと比較して、極めて実用性が高い静電リレーを構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電リレーの第１の実施の形態を示す平面図である。
【図２】図１のII−II側断面図である。
【図３】第１の実施の形態において接点オン動作途中の状態を示す側断面図である。
【図４】第１の実施の形態において接点オン動作完了状態を示す側断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す平面図である。
【図６】 図５のVI−VI側断面図である。
【図７】第２の実施の形態において接点オン動作途中の状態を示す側断面図である。
【図８】第２の実施の形態において接点オン動作完了状態を示す側断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態を示す平面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ側断面図である。
【図１１】第３の実施の形態において接点オン動作完了状態を示す側断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態を示す平面図である。
【図１３】図１２のXIII−XIII側断面図である。
【図１４】第４の実施の形態において一対の静電アクチュエーターの電極間に印加する電圧波形を示す波形図である。
【図１５】第４の実施の形態において切り替えスイッチを構成した場合の回路図である。
【図１６】本発明の実施例を示す平面図である。
【図１７】図１６のXVII−XVII側断面図である。
【図１８】本発明の実施例に係る静電リレーの製造過程を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 基板
２，５２ アンカー構造体
３，５３ 両持ち梁状のねじれ弾性部
４，５４ 固定電極
５，５５ 固定接点
６，２１，５６ 絶縁層
１０，１０Ａ，１０Ｂ，３０，４０，６０ 可動構造部
１１，４１，６１ 両持ち梁接続部
１２，３２，４２，６２ 可動電極支持部
１３，３３，４３，６３ 可動接点支持部
１４，３４，４４，４５，６４ 弾性連絡部
２０，７０ 可動電極
２２，７２ 可動接点
５１ 単結晶Ｓｉ板
８１ 犠牲層
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電引力を利用する静電アクチュエーターを、駆動源として用いた静電リレーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電リレーは、従来の電磁石を利用した電磁式リレーと異なり、静電引力を駆動力として接点の開閉を行うリレーであり、電磁力を発生するためのコイルが不要で機械部品が少なく、小型化が可能であること、及び本質的にコンデンサーである静電アクチュエーターを駆動源として用いるため、低消費電力であるという特徴があり、実用化に向けて研究が進められている。
【０００３】
このような、静電リレーとしては、例えば特開平２−１００２２４号公報にあるように、単結晶Ｓｉを選択エッチングによりトーションバー弾性体とそれに接続されたシーソー状構造体とを形成し、その構造体に静電アクチュエーターの可動電極部とリレーの可動接点とを形成して、それぞれに対向する位置に固定電極と固定接点とを設けた電気絶縁性基板上にスペーサーを介して配置したものがある。
【０００４】
この静電リレーは、動作時に固定電極と可動電極間に電圧を印加することにより、トーションバー弾性体のねじれによって、電圧が印加された側のシーソー状構造体が回転運動を行い可動接点を固定接点に接触させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この静電リレーでは、可動接点が、シーソー状構造体の端部に設けられているため、接触時に、可動接点が固定接点に対し傾斜状態で接触するため十分な接触面積が得られず、接点抵抗が高くなる。また、可動接点を設ける構造体の位置を適切に選ばないと構造体が可動接点と同時に接触してしまうため、接点間の圧力が不十分になる可能性がある。
【０００６】
さらに、このような構成の静電リレーは、固定電極に対向する可動電極が、トーションバー弾性体により空隙を介して保持されたシーソー状構造体の可動接点位置よりも回動支点寄りに形成されるため、可動接点が固定接点に接触し、シーソー状構造体の回転運動が停止した時点で、固定電極と可動電極との間に楔状のエアギャップが生じる。
【０００７】
ところが静電引力は電極間隔の逆自乗に比例する。従って、静電アクチュエーターは吸引動作時でもこのエアギャップのため静電引力が小さくなってしまう。このため接点に十分な圧力がかからないので接点抵抗を十分小さくすることができず、またこれを克服するために動作電圧を高くすることは静電リレーの実用性を著しく妨げることになる。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑み、低電圧駆動、低接点抵抗、高接点容量の実用性の高い静電リレーを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の静電リレーは、
基板と、
前記基板上に前記基板との空隙を持って保持された両持ち梁状のねじれ弾性部と、
前記基板と対向するように前記ねじれ弾性部に支持されて前記ねじれ弾性部から少なくとも一方の側に延長し、前記ねじれ弾性部のねじれ弾性変形により回転可能な可動構造部と、
前記可動構造部の前記ねじれ弾性部と反対側の端部で、前記基板と対向する面に配置された少なくとも１個の可動接点と、
前記可動構造部の回転支点と前記可動接点との間に位置するように前記可動構造部に配置された可動電極と、
前記可動接点に接触可能に対向するように前記基板上に形成された少なくとも１個の固定接点と、
前記可動電極に対向する如く前記基板上に形成された固定電極とを備え、
前記可動構造部は、前記回転支点と前記可動電極の配置部分との間に形成した回転支点側弾性連絡部、または、前記可動電極の配置部分と前記可動接点の配置部分との間に形成した端部側弾性連絡部、のうち少なくともいずれか一方を有し、前記弾性連絡部は、前記可動接点と前記固定接点とを面接触可能とし、
前記回転支点側弾性連絡部は、前記可動構造部に貫通孔を形成して設けた、前記ねじれ弾性部と平行な軸を有する両持ち梁状部を有するとともに、この両持ち梁状部と、前記可動電極の配置部分とを連結し、
前記端部側弾性連絡部は、前記可動構造部に貫通孔を形成して設けた、前記ねじれ弾性部と平行な軸を有する両持ち梁状部を有するとともに、この両持ち梁状部と、前記可動接点の配置部分とを連結するように構成したことを特徴としている。
【００１１】
また、前記静電リレーにおいて、前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されたとき、前記可動電極と前記固定電極との間に静電引力が働き、まず前記ねじれ弾性部のねじれ弾性変形により前記可動構造部は前記可動接点が前記固定接点に接触するまで回転し、その後、前記弾性連絡部の弾性変形により前記可動接点と前記固定接点とが平行状態となって面接触可能であるとよい。
【００１２】
さらに、前記可動構造部は、前記回転支点と前記可動電極の配置部分との間、及び、前記可動電極の配置部分と前記可動接点の配置部分との間、の双方が弾性連絡部となっていて、前記可動電極と前記固定電極間との間に電圧が印加されたとき、前記回転支点と前記可動電極の配置部分との間の前記弾性連絡部の弾性変形により前記可動電極が前記固定電極に対して平行乃至平行に近い近接状態に吸引されるように構成するとよい。
【００１３】
なお、前記可動電極と前記固定電極間に誘電体層が介在していてもよい。
【００１４】
また、前記可動構造部が前記両持ち梁状のねじれ弾性部の両側に延長しており、前記回転支点に対して少なくとも一方の側に前記可動接点が、両側に前記可動電極がそれぞれ配置されるとともに、両側の前記可動電極にそれぞれ対向する如く前記基板上に前記固定電極が形成された構成としてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る静電リレーの実施の形態を図面に従って説明する。
【００１６】
図１乃至図４は本発明に係る静電リレーの第１の実施の形態を示す。これらの図において、静電リレーは、絶縁性基板１と、基板１上に立設、固定されたアンカー構造体２と、アンカー構造体２で基板１から空隙を持って保持された両持ち梁状のねじれ弾性部３と、ねじれ弾性部３による弾性支持によって回動自在なリレー構造体をなす可動構造部１０とを具備している。前記絶縁性基板１は少なくとも表面が絶縁処理されているもので、例えば表面にＳｉＯ2絶縁層を設けた単結晶Ｓｉ基板等である。アンカー構造体２、両持ち梁状のねじれ弾性部３、可動構造部１０の３者は多結晶Ｓｉ等により一体に形成されている。
【００１７】
リレー構造体を構成する可動構造部１０は、前記両持ち梁状のねじれ弾性部３に接続する両持ち梁接続部１１、可動電極支持部１２、可動接点支持部１３、及び可動電極支持部１２と可動接点支持部１３とを接続する弾性連絡部１４から構成されており、弾性連絡部１４は両持ち梁状に形成され、そのねじれにより可動接点支持部１３が回転動作可能になっている。
【００１８】
リレー構造体としての可動構造部１０の基板対向面側には、図２乃至図４の如くそれぞれ可動電極２０及びこの表面を被覆した絶縁層（誘電体層）２１、可動接点２２が形成、配置され、これらに対向する基板上に固定電極４及び固定接点５が形成、配置されている。絶縁性基板１上に固定された固定電極４と可動電極支持部１２に固定された可動電極２０とは両者間に印加された電圧により静電引力を発生する静電アクチュエーターを構成する部分であり、固定電極４と可動電極２０とは図示しない配線により外部電源に接続される。
【００１９】
次に、第１の実施の形態で示した静電リレーの動作原理を説明する。図２は非動作状態（電圧を印加しない状態）での各電極及び各接点の位置を示し、接点５，２２間は開いている。静電アクチュエーターを構成する固定電極４と可動電極２０間に電圧を印加すれば、両電極間には静電引力が発生し、図３のようにリレー構造体としての可動構造部１０は、両持ち梁状のねじれ弾性部３のねじれ弾性変形により可動接点２２が固定接点５に接触するまで、基板側に回転運動する。この回動支点は図１の線Ｐの位置である。
【００２０】
従来の静電リレーでは、この時点でリレー構造体の動作が停止する。このとき図３から明らかなように可動接点２２と固定接点５は点接触状態であり、十分な接触面積が得られず、接点抵抗が高くなってしまう。また、接触点が小さく、抵抗が高いため、通過電流が集中して接点温度上昇を招き、接点の溶着等の故障を発生しやすくなる。更にまた静電アクチュエーターの固定電極４と可動電極２０の間隔が広いため十分な静電引力を発生することができず、接点圧力が十分とれない。このことは接点抵抗の上昇を招く。接点圧力を上げるためには更に高い電圧を印加せねばならず、静電リレーの動作電圧が高くなって実用性に欠けてしまう。
【００２１】
しかしながら、本実施の形態の静電リレーでは、更にこの時点から、静電アクチュエーターの吸引力により弾性連絡部１４が変形され、ついには図４に示すように可動接点２２が固定接点５に対し平行になるように変形する。図４から明らかなように、この時で接点５，２２は平行状態で面接触し、図１のように一対の固定接点５が可動接点２２で短絡され十分低い接点抵抗と十分大きな接点電流容量を得ることができる。更に、静電アクチュエーターの電極４，２０間の距離は図３の状態と比較して著しく近接させることができる。つまり、静電アクチュエーターの静電引力は電極間隔の自乗に逆比例するため、動作電圧が低くとも接点に十分な圧力を加えることができ、低い接点抵抗と低動作電圧という従来の静電リレーでは困難であった特性が達成できる。
【００２２】
なお、電極４，２０間の電圧を零にすれば、弾性部３のねじれ弾性変形が元の状態に戻り、可動構造部１０は図２の非動作状態に復帰する。
【００２３】
この第１の実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。
【００２４】
(1) 弾性連絡部１４が、リレー構造体を構成する可動構造部１０における可動電極２０と可動接点２２間に位置し、固定電極４と可動電極２０間への電圧印加時に、ねじれ弾性変形により固定接点５と可動接点２２とを平行状態で接触可能に構成したので、接点５，２２を面接触させて、十分低い接点抵抗と十分大きな接点電流容量を得ることができる。
【００２５】
(2) 静電アクチュエーターの電極４，２０間の距離は従来構造の場合の限界であった図３の状態と比較して著しく近接させることができ、静電引力を大きくして動作電圧が低くとも接点に十分な圧力を加えることができ、低動作電圧で作動可能な静電リレーを実現できる。
【００２６】
(3) 可動電極２０を絶縁層２１で覆っており、電極４，２０が直接接触する短絡事故を確実に防止できる。なお、可動電極２０と固定電極４間に絶縁層２１が介在しても、絶縁層２１は空気に比べて誘電率の高い誘電体であり、絶縁層２１の存在による静電引力の低下は考えなくてよい（無視できる。）。
【００２７】
なお、第１の実施の形態では、弾性連絡部１４として、両持ち梁のねじれ弾性を用いる構造を示したが、弾性連絡部の構成は、これに限るものではなく、静電リレー動作電圧印加時に弾性変形により前記可動接点と前記固定接点を平行に接触させ得るように配置され、前記固定電極と可動電極間に発生する静電引力にて前記両接点が平行に接触するに至る変形が可能な弾性率を持てばよく、例えば可動電極支持部１２から引き出された片持ち梁形状等をとっても同様の効果が得られる。
【００２８】
図５乃至図８は本発明の第２の実施の形態を示す。これらの図において、リレー構造体を構成する可動構造部３０は、絶縁性基板１からアンカー構造体２を介して両持ち梁状のねじれ弾性部３によって基板１から空隙を持って保持される。可動構造部３０は、可動電極支持部３２、可動接点支持部３３、及び両持ち梁状のねじれ弾性部３と可動電極支持部３２とを所定の長さで接続する弾性連絡部３４から構成されており、弾性連絡部３４は、可動電極支持部３２より細く複数の帯状に形成され、上下面に垂直な方向への弾性変形（撓みによる変形）により可動電極支持部３２と可動接点支持部３３が変移可能になっている。
【００２９】
リレー構造体としての可動構造部３０の基板対向面側には、図６乃至図８の如くそれぞれ可動電極２０及び可動接点２２が形成、配置され、これらに対向する基板上に固定電極４及びこの表面を被覆した絶縁層（誘電体層）６、固定接点５が形成、配置されている。絶縁性基板１上に固定された固定電極４と可動電極支持部３２に固定された可動電極２０とは両者間に印加された電圧により静電引力を発生する静電アクチュエーターを構成する部分である。
【００３０】
なお、その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様である。
【００３１】
次に、第２の実施の形態で示した静電リレーの動作原理を説明する。図６は非動作状態（電圧を印加しない状態）での各電極及び各接点の位置を示し、接点５，２２間は開いている。静電アクチュエーターを構成する固定電極４と可動電極２０間に電圧を印加すれば、両電極間には静電引力が発生し、図７のようにリレー構造体としての可動構造部３０は、両持ち梁状のねじれ弾性部３のねじれ弾性により可動接点２２が固定接点５に接触するまで、基板側に回転運動する。
【００３２】
従来の静電リレーでは、この時点でリレー構造体の動作が停止するため、第１の実施の形態の動作説明にて述べた如く、接点接触面積の不足、接点圧力の不足、高い動作電圧等の問題点が生じる。
【００３３】
しかしながら、本実施の形態の静電リレーでは、更にこの時点から、静電アクチュエーターの吸引力により所定の長さを持つ弾性連絡部３４が撓んで変形され、ついには図８に示すように、可動電極２０と固定電極４とが平行乃至平行に近い状態になり、更に可動接点２２と固定接点５も平行状態になるように変形する。図８から明らかなように、この時接点５，２２は平行状態で面接触し、十分低い接点抵抗と大きな接点電流容量を得ることができる。更に、静電アクチュエーターの電極４，２０間の距離は図７の状態と比較して、絶縁層６を介してほぼ接触に至るまで近接させることができ、極めて強い静電引力を発生することができる。従って、低い動作電圧でも接点に十分な圧力を加えることができ、低い接点抵抗と低動作電圧という従来の静電リレーでは困難であった特性が容易に達成できる。
【００３４】
このように、第２の実施の形態によれば、撓み変形可能な所定長の弾性連絡部３４が、リレー構造体をなす可動構造部３０における回動支点Ｐ（両持ち梁状のねじれ弾性部３のねじれ中心）と可動電極２０間に位置しており、固定電極４と可動電極２０間への電圧印加時に、弾性変形により可動電極２０が固定電極４に対して平行乃至平行に近い近接状態に吸引されるように構成でき、静電引力を大きくできるとともに、接点５，２２を面接触させて、十分低い接点抵抗と十分大きな接点電流容量を得ることを可能とし、さらには低動作電圧の静電リレーを実現できる。
【００３５】
なお、第２の実施の形態では、弾性連絡部３４として、可動構造部３０の細く形成された所定長部分の基板に対する垂直方向への弾性変形を用いる構造を示したが、弾性連絡部の構成は、これに限るものではなく、静電リレー動作電圧印加時に弾性変形により可動電極と固定電極とが平行になり得るように配置され、前記固定電極と可動電極間に発生する静電引力にて両電極が平行乃至平行に近い状態に至る変形が可能な弾性率を持てばよく、例えば図１で示した弾性連絡部１４のような、両持ち梁のねじれ回転を用いても同様の効果が得られる。
【００３６】
図９乃至図１１は本発明の第３の実施の形態であり、弾性連絡部が、リレー構造体を構成する可動構造部における可動電極と可動接点間に設けられているとともに、可動構造部の回動支点（両持ち梁状のねじれ弾性部のねじれ中心）と可動電極間にも設けられている場合を示す。これらの図において、リレー構造体を構成する可動構造部４０は、絶縁性基板１からアンカー構造体２を介して両持ち梁状のねじれ弾性部３によって基板１から空隙を持って保持される。可動構造部４０は、所定長の両持ち梁接続部４１、可動電極支持部４２、可動接点支持部４３、両持ち梁接続部４１の先端部と可動電極支持部４２とを接続する第１の弾性連絡部４４、及び可動電極支持部４２と可動接点支持部４３とを接続する第２の弾性連絡部４５から構成されている。第１及び第２の弾性連絡部４４，４５は、両持ち梁状のねじれ弾性部であり、両持ち梁接続部４１の先端側に対して可動電極支持部４２が第１の弾性連絡部４４により回動自在に、可動電極支持部４２の先端側に対して可動接点支持部４３が第２の弾性連絡部４５により回動自在にそれぞれ支持されている。
【００３７】
なお、その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
図１０及び図１１に第３の実施の形態に係る静電リレーの動作状況を示す。図１０は非動作状態（電圧を印加しない状態）での各電極及び各接点の位置を示す。静電アクチュエーターを構成する固定電極４と可動電極２０間に電圧を印加すれば、両電極間には静電引力が発生し、図１１のようにリレー構造体としての可動構造部４０は、両持ち梁状のねじれ弾性部３のねじれ弾性変形により可動接点２２を固定接点５に接触させ、さらに第１及び第２の弾性連絡部４４，４５のねじれ弾性変形により可動接点２２と固定接点５を平行に密着させた状態に至るまで、基板側に回転運動する。
【００３９】
この図１１から明らかなように、この第３の実施の形態を取った場合、ねじれ弾性部である第１及び第２の弾性連絡部４４，４５の弾性率を適切に選ぶことにより、可動接点２２と固定接点５とを平行に密着させた上で、静電アクチュエーターの可動電極２０と固定電極４をほぼ平行に保ちながら、かつエアギャップを持って対向させることが可能になる。このことは、例えば、図３に示したような楔形エアギャップを持った場合より更に強い静電引力を得ることができると同時に、可動電極２０と固定電極４の接触を完全に避けることが可能になる。従って、静電アクチュエーターを構成するための可動電極２０又は固定電極４上に形成される絶縁層が不要、もしくは絶縁耐圧を低くすることができるとともに、アクチュエーター電極間の不用意な接触による固着等の問題を避けることが可能となる。
【００４０】
図１２及び図１３は本発明の第４の実施の形態であり、リレー構造体を、基板から該リレー構造体を回転支持する両持ち梁状のねじれ弾性部の両側に延長し、該両持ち梁状のねじれ弾性部に対して対称形状に配置した例を示す。すなわち、第４の実施の形態に係る静電リレーは、絶縁性基板１と、基板１上に立設、固定されたアンカー構造体２と、アンカー構造体２で基板１から空隙を持って保持された両持ち梁状のねじれ弾性部３と、ねじれ弾性部３による弾性支持によって回動自在なように両側に対称配置されたリレー構造体をなす可動構造部１０Ａ，１０Ｂとを具備している。各可動構造部１０Ａ，１０Ｂの電極及び接点構成等は、前述した第１の実施の形態と同様であるので、同一又は相当部分に同一符号を付して詳細は省略する。
【００４１】
この第４の実施の形態の構成を取れば、静電リレー動作時に左右の静電アクチュエーターの電極４，２０間に図１４に示すような反転出力電圧を与えることにより、一方のリレー接点５，２２のオフ（ＯＦＦ）動作時に、当該接点の引き離し作用が両持ち梁状のねじれ弾性部３の弾性による復帰運動のみによらず、反対側静電アクチュエーターの静電引力を用いることが可能になり、確実なリレー接点のオフ動作が可能になる。
【００４２】
また、この時、左右の固定接点の一方の極を図１２に図示の如く共通に接続すれば、図１５に示すように切り替えスイッチを容易に構成することが可能である。
【００４３】
さらに、可動構造部１０Ａ，１０Ｂのいずれか一方の可動接点２２及びこれに対向する基板側の固定接点５の組を省略して、オフ動作の確実性を向上させた構成とすることもできる。
【００４４】
なお、今まで説明した各実施の形態では静電アクチュエーターの一方の電極となる可動電極をリレー構造体（可動構造部）の基板面側に形成した例を示したが、同電極位置はこれに限らず、実質的に固定電極と可動電極間に静電引力を発生させ得ればよく、例えば静電アクチュエーターの構造体、つまりリレー構造体が高誘電率の絶縁体や高抵抗体であれば、可動電極位置をリレー構造体の基板面側の反対面に配置してもよく、また、前記構造体自体を導電性部材で構成すれば、当該構造体自体を可動電極とすることも可能である。
【００４５】
また、リレー構造体（可動構造部）の端部に配置される可動接点２２は１個に限らず、複数個配置される場合もある。
【００４６】
【実施例】
次に本発明を実施例により具体的に説明する。
【００４７】
図１６及び図１７は本実施例で形成した静電リレーの平面図及び側面図である。本実施例では、まず、図１８（Ａ）のように熱酸化法により厚さ約１μｍのＳｉＯ2絶縁層５１ａを形成した単結晶Ｓｉ板５１を基板とし、厚さ５００ｎｍ程度のＡｕをスパッタ法により基板全面に形成し、次にフォトエッチングを用い、静電アクチュエーターの固定電極５４とリレーの固定接点５５をそれぞれパターニングした。次に反応性スパッタ法により、基板全面に約１００ｎｍのＳｉＮ絶縁層を形成し、同じくフォトエッチング法により静電アクチュエーターの固定電極５４上を残して同絶縁層を選択除去し、絶縁層５６とした。
【００４８】
次に、図１８（Ｂ）のように減圧ＣＶＤ法を用い、基板全面に犠牲層８１となるＳｉＯ2膜を約３μｍ程度堆積した。それから可動接点７２に相当する位置のＳｉＯ2膜をＲＩＥ法により約５００ｎｍ掘り下げ、更に基板全面に約５００ｎｍのＡｕ膜を約２０ｎｍのＳｉＮ反応防止層とともに形成し、所定の形状にフォトエッチングでパターニングして静電アクチュエーターの可動電極７０及びリレーの可動接点７２を形成した。さらにこの後、犠牲層８１のＳｉＯ2膜のアンカー構造体５２に相当する部分８２をフォトエッチングを用いて選択除去する。
【００４９】
最後に減圧ＣＶＤ法を用い、図１８（Ｃ）のように基板全面に多結晶Ｓｉ膜８３を約４μｍ形成し、以下に述べるリレー構造体となる可動構造部の形状にＲＩＥ法によりパターニングした。
【００５０】
この後、犠牲層８１のＳｉＯ2膜をＨＦにより選択エッチングし、図１６及び図１７に示したリレー構造体となる可動構造部６０をリリースして形成した。
【００５１】
両持ち梁状のねじれ弾性部５３はアンカー構造体５２からの長さａが約１００μｍ、幅約６μｍ程度である。また、リレー構造体を構成する可動構造部６０は、長さｂが約１００μｍの両持ち梁接続部６１、幅ｃ及び長さｄがそれぞれ約２００μｍの可動電極支持部６２、幅約６μｍ、長さｅが約５０μｍの両持ち梁状のねじれ弾性連絡部６４、及び長さｆが約５０μｍの可動接点支持部６３から構成され、可動構造部６０全体が両持ち梁状のねじれ弾性部５３のねじれ弾性により回転可動であると同時に、可動接点支持部６３が両持ち梁状の弾性連絡部６４のねじれ弾性により回転可動構造となる。
【００５２】
本実施例に係る静電リレーは、静電アクチュエーターを構成する電極５４，７０間に約２０Ｖ弱の動作電圧を印加することにより、接点５５，７２が閉じ、この時の接点抵抗は約０．２Ωで、接点電流１００ｍＡ以上を流すことが可能であった。この値は小信号用リレーとして、十分実用可能な特性であり、犠牲層となるＳｉＯ2膜の膜厚を小さくすることや、静電アクチュエーター電極面積の拡大、等の形状寸法変更により、さらに低電圧動作とすることも可能である。
【００５３】
比較例として、同様の構造で可動接点支持部を弾性支持する弾性連絡部を持たない従来構造を作成し、評価した結果、同じく動作電圧は約２０Ｖ弱ではあるが、接点抵抗は５〜１０Ω以上の高い値を示し、１Ω以下の接点抵抗に下げるためには５０Ｖ以上の動作電圧が必要であった。更に接点電流を数ｍＡ流したところ、接点が溶着し、オフ動作が不可能になった。
【００５４】
以上からも明らかなように、本発明の静電リレー構造を用いれば、従来不可能であった、低電圧駆動、低接点抵抗、高接点容量の実用性の高い静電リレーが容易に構成可能である。
【００５５】
なお、本実施例では、薄膜形成技術を用いてリレー構造体となる可動構造部を形成した例を示したが、本発明の静電リレーの構成方法はこれに限るものではなく、例えば可動構造部として単結晶Ｓｉ基板に可動接点と可動電極を形成して、異方性エッチング等の技術を用いて所定の構造に形成後、同じく固定接点と固定電極を形成した絶縁基板上にスペーサーを介して貼り付けても良い。このような場合でも、従来の構造と比較して、容易に低電圧駆動、高接点容量の特性を得ることが可能である。
【００５６】
また、リレー構造体となる可動構造部として、表面に絶縁加工をした金属薄板を用いることも可能である。このような方法で形成された静電リレーは、薄膜形成技術を用いた静電リレーと比較して、より大きな接点電流を流す用途に適用可能である。
【００５７】
以上本発明の実施の形態及び実施例について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る静電リレーによれば、従来の静電リレーが問題として抱えていた、接点同士の点接触とそれによる接点電流容量不足、接点抵抗上昇等の問題を解決し、接点同士を面接触させることが可能になり、大きな接点容量と低い接点抵抗を達成可能である。
【００５９】
更に従来、静電アクチュエーターを構成する電極間の距離が、動作時に十分近接できないために生じていた、接点圧力不十分とそれによる接点抵抗上昇、またこれを克服するために動作電圧が高くなってしまう問題点も、本発明の構成を用いれば、前記電極間距離を従来と比較して著しく接近させることが可能であるため、十分な接点圧力とそれによる低い接点抵抗を、従来より低い動作電圧で達成することが可能になる。
【００６０】
これらのリレー特性の著しい改善により、本発明は従来の静電リレーと比較して、極めて実用性が高い静電リレーを構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電リレーの第１の実施の形態を示す平面図である。
【図２】図１のII−II側断面図である。
【図３】第１の実施の形態において接点オン動作途中の状態を示す側断面図である。
【図４】第１の実施の形態において接点オン動作完了状態を示す側断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す平面図である。
【図６】 図５のVI−VI側断面図である。
【図７】第２の実施の形態において接点オン動作途中の状態を示す側断面図である。
【図８】第２の実施の形態において接点オン動作完了状態を示す側断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態を示す平面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ側断面図である。
【図１１】第３の実施の形態において接点オン動作完了状態を示す側断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態を示す平面図である。
【図１３】図１２のXIII−XIII側断面図である。
【図１４】第４の実施の形態において一対の静電アクチュエーターの電極間に印加する電圧波形を示す波形図である。
【図１５】第４の実施の形態において切り替えスイッチを構成した場合の回路図である。
【図１６】本発明の実施例を示す平面図である。
【図１７】図１６のXVII−XVII側断面図である。
【図１８】本発明の実施例に係る静電リレーの製造過程を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 基板
２，５２ アンカー構造体
３，５３ 両持ち梁状のねじれ弾性部
４，５４ 固定電極
５，５５ 固定接点
６，２１，５６ 絶縁層
１０，１０Ａ，１０Ｂ，３０，４０，６０ 可動構造部
１１，４１，６１ 両持ち梁接続部
１２，３２，４２，６２ 可動電極支持部
１３，３３，４３，６３ 可動接点支持部
１４，３４，４４，４５，６４ 弾性連絡部
２０，７０ 可動電極
２２，７２ 可動接点
５１ 単結晶Ｓｉ板
８１ 犠牲層
Claims (5)
- 基板と、
前記基板上に前記基板との空隙を持って保持された両持ち梁状のねじれ弾性部と、
前記基板と対向するように前記ねじれ弾性部に支持されて前記ねじれ弾性部から少なくとも一方の側に延長し、前記ねじれ弾性部のねじれ弾性変形により回転可能な可動構造部と、
前記可動構造部の前記ねじれ弾性部と反対側の端部で、前記基板と対向する面に配置された少なくとも１個の可動接点と、
前記可動構造部の回転支点と前記可動接点との間に位置するように前記可動構造部に配置された可動電極と、
前記可動接点に接触可能に対向するように前記基板上に形成された少なくとも１個の固定接点と、
前記可動電極に対向する如く前記基板上に形成された固定電極とを備え、
前記可動構造部は、前記回転支点と前記可動電極の配置部分との間に形成した回転支点側弾性連絡部、または、前記可動電極の配置部分と前記可動接点の配置部分との間に形成した端部側弾性連絡部、のうち少なくともいずれか一方を有し、前記弾性連絡部は、前記可動接点と前記固定接点とを面接触可能とし、
前記回転支点側弾性連絡部は、前記可動構造部に貫通孔を形成して設けた、前記ねじれ弾性部と平行な軸を有する両持ち梁状部を有するとともに、この両持ち梁状部と、前記可動電極の配置部分とを連結し、
前記端部側弾性連絡部は、前記可動構造部に貫通孔を形成して設けた、前記ねじれ弾性部と平行な軸を有する両持ち梁状部を有するとともに、この両持ち梁状部と、前記可動接点の配置部分とを連結するように構成したことを特徴とする静電リレー。 - 前記可動電極と前記固定電極との間に電圧が印加されたとき、前記可動電極と前記固定電極との間に静電引力が働き、まず前記ねじれ弾性部のねじれ弾性変形により前記可動構造部は前記可動接点が前記固定接点に接触するまで回転し、その後、前記弾性連絡部の弾性変形により前記可動接点と前記固定接点とが平行状態となって面接触可能であることを特徴とする請求項１記載の静電リレー。
- 前記可動構造部は、前記回転支点と前記可動電極の配置部分との間、及び、前記可動電極の配置部分と前記可動接点の配置部分との間、の双方が弾性連絡部となっていて、
前記可動電極と前記固定電極間との間に電圧が印加されたとき、前記回転支点と前記可動電極の配置部分との間の前記弾性連絡部の弾性変形により前記可動電極が前記固定電極に対して平行乃至平行に近い近接状態に吸引されるように構成した請求項１又は２記載の静電リレー。 - 前記可動電極と前記固定電極間に誘電体層が介在している請求項１，２又は３記載の静電リレー。
- 前記可動構造部が前記両持ち梁状のねじれ弾性部の両側に延長しており、前記回転支点に対して少なくとも一方の側に前記可動接点が、両側に前記可動電極がそれぞれ配置されるとともに、両側の前記可動電極にそれぞれ対向する如く前記基板上に前記固定電極が形成されている請求項１，２，３又は４記載の静電リレー。
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