JPH08227646A - マイクロメカニカルリレー - Google Patents

マイクロメカニカルリレー

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JPH08227646A
JPH08227646A JP7268708A JP26870895A JPH08227646A JP H08227646 A JPH08227646 A JP H08227646A JP 7268708 A JP7268708 A JP 7268708A JP 26870895 A JP26870895 A JP 26870895A JP H08227646 A JPH08227646 A JP H08227646A
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JP
Japan
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spring
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webs
armature
base
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Withdrawn
Application number
JP7268708A
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English (en)
Inventor
Helmut Schlaak
シュラーク ヘルムート
Joachim Schimkat
シムカート ヨアヒム
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00Contacts
    • H01H1/0036Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0084Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS] with perpendicular movement of the movable contact relative to the substrate
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H01H2059/0081Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics with a tapered air-gap between fixed and movable electrodes

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  • Micromachines (AREA)
  • Springs (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロメカニカルリレーの接極子のばね舌
状部が可及的にわずかな面しか必要とせず,しかしその
ばね力が大きくて可及的に大きな接触力を生ぜしめ,残
りのばね舌状部区分がベース電極に可及的に完全に密着
するようにする。 【解決手段】 接触ばね区分21がすべての側をばね舌
状部20によって取り囲まれていて,リング状に並べら
ている同じ向きに円弧状に湾曲せしめられた非半径方向
のばねウェブ22を介して,ばね舌状部と線対称に結合
されている。ばねウェブは,互いにオーバラップしてリ
ング状に配置され,全体として360°を越える角度範
囲にわたっている複数のスリット23によって形成され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は,ベース基体と,こ
のベース基体上に位置する接極子基体とを有する静電マ
イクロメカニカルリレーであって,ベース基体は層状の
ベース電極とベース接触片とを有しており,接極子基体
は,それに一端部だけを結合されているばね舌状部を有
しており,このばね舌状部は,層状の接極子電極と,ば
ね舌状部の自由端部の近くでばね舌状部から部分的に切
り離されている接触ばね区分に設けられた接極子接触片
とを有しており,ばね舌状部が休止状態にある場合に
は,層状の接極子電極と層状のベース電極との間にエア
ギャップが形成されており,接極子電極とベース電極と
の間に制御電圧が印加されることによって作業状態に切
り替えられると,ばね舌状部がベース基体に密着して,
接触ばね区分の弾性変形によって接極子接触片とベース
接触片とが互いに接触するようになっている形式のもの
に関する。
【0002】
【従来の技術】このようなマイクロメカニカルリレーは
ドイツ連邦共和国特許第 42 05 029号明細書及び図面に
よって既に公知である。この公知のマイクロメカニカル
リレーは例えば結晶質の半導体基体,殊にシリコン基体
から製作され,その場合接極子として役立つばね舌状部
は,半導体基体に不純物拡散処理及びエッチング処理を
施して形成される。ばね舌状部の接極子電極と平らなベ
ース電極との間に制御電圧を印加することによって,湾
曲したばね舌状部がいわゆる移動くさび(移動エアギャ
ップ)を形成しながらベース電極に密着する。ばね舌状
部はこの変形によって伸長状態になり,その自由端部に
設けられている接極子接触片がベース基体のベース接触
片に接触する。
【0003】更にこの公知文献に1実施例として記載さ
れているばね舌状部においては,接極子接触片を保持し
ている接触ばね区分がばね舌状部の縦側縁に対して平行
な縦スリットによってばね舌状部から部分的に切り離さ
れている。これによって,接触ばね区分の後方及び側方
の残りのばね舌状部区分をベース電極上に平らに密着さ
せ,これに対し接触ばね区分自体は,ベース接触片が突
出しているために,上方に向かってわずかにたわんで,
所望の接触力を生ぜしめるようにすることができる。
【0004】スリットの長さ及び位置を変化させること
によって,接触ばね区分のばね力並びに切り替え特性曲
線の経過を変化させることができる。接触ばね区分が互
いに平行な2つの縦スリットによって切り離されている
場合には,一般的に,接触ばね区分を可及的に短くかつ
幅広くすると,大きなばね力が得られ,ひいては所望の
大きな接触力を生ぜしめることができる。もちろん,こ
れによって電極面が小さくされ,制御電圧が大きくな
り,接点の開閉の際の切り替え特性が悪くなる。簡単に
言うと,両方の縦スリットの間の線に沿って比較的に剛
性的にばね舌状部に連結されている比較的にばね力の大
きい接触ばね区分は,応動電圧及び遮断電圧の範囲にお
いてそれぞれ不確実な切り替え動作を生ぜしめ,接触ば
ね区分の側方の接極子電極部分は過度に遅くベース電極
に密着し,電圧が減少する場合に過度に早くベース電極
から離れる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】したがって,本発明が
解決しようとする課題は,最初に述べた形式のマイクロ
メカニカルリレーの接触ばね区分を次のように,すなわ
ち,接極子のばね舌状部に可及的にわずかな面しか必要
とせず,しかしそのばね力が大きくて可及的に大きな接
触力を生ぜしめ,かつ残りのばね舌状部区分がベース電
極に可及的に完全に密着することを可能ならしめるよう
に,構成することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に,本発明の構成では,接触ばね区分がすべての側をば
ね舌状部によって取り囲まれていて,リング状に並べら
れている同じ向きに円弧状に湾曲せしめられた非半径方
向のばねウェブ若しくはばねスポークを介して,ばね舌
状部と線対称に結合されており,これらのばねウェブ若
しくはばねスポークは,互いにオーバラップしてリング
状に配置され,全体として360°を越える角度範囲に
わたっている複数のスリットによって形成されているよ
うにした。なお,以下の記載において,単に「ばねウェ
ブ」若しくは「ばねスポーク」と記載されている場合で
も,それは,「リング状に並べられている同じ向きに円
弧状に湾曲せしめられた非半径方向のばねウェブ若しく
はばねスポーク」を意味するものとする。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の有利な1実施形態では,
ばねウェブ若しくはばねスポークを形成するスリットは
同心的に互いに組み込んでいるらせん区分の形状を有し
ており,このらせん区分の長さひいてはオーバラップの
長さによって,スリットの間のばねウェブ若しくはばね
スポークの長さを定めることができる。スリットの半径
方向の間隔はばねウェブ若しくはばねスポークの幅を定
める。要するに接触ばね区分のばね懸架部のばね力を簡
単に定めることができる。いずれにせよ,ばねウェブ若
しくはばねスポークのねじれを可能にするために,スリ
ットをオーバラップさせることが必要であり,このこと
は,スリットが前述のように全体として360°を越え
る角度範囲にわたっているようにすることによって,達
成される。したがってばねウェブ若しくはばねスポーク
の数が4である場合,各スリットの角度範囲は90°よ
りも大きく,有利には各スリットの角度範囲は135°
と270°との間であり,一般に,スリットの角度範囲
は全体として360°の1.5〜3倍である。もちろん
ばねウェブ若しくはばねスポークの数は4に限定される
ものではなく,必要に応じて2あるいは3に,あるいは
4よりも大きい数にすることができる。もちろんばねウ
ェブ若しくはばねスポークの数が大きい場合,ばねウェ
ブの幅が小さくなり,接極子接点への導電路の幅が狭く
なる。すなわち,接極子接点への電流の供給もばねウェ
ブを介して行わなければならない。逆に,ばねウェブ若
しくはばねスポークの数が2である場合には,スリット
の端部に極めて大きな機械的応力が生ずる。
【0008】らせんばねの形式で回転対称的に1つの方
向で互いに組み込んでいるスリットあるいはばねウェブ
によって,切り替えの際に,つまりばねウェブの軸方向
のふれ及びねじれの際に,接極子接触片若しくは接触ば
ね区分及び接触ばね区分の側方の範囲の駆動部として役
立つばね舌状部区分の揺動が生ぜしめられる。このため
接点が摩擦を伴って閉じられることになり,このことは
接触作用及び接触抵抗の点では有利であるが,接点の寿
命を短縮することになる。
【0009】このような欠点を取り除くために,接触ば
ね区分が互いに同心的に配置された2つのリング状ばね
ウェブ列によって保持されており,両方のリング状ばね
ウェブ列のばねウェブは互いに逆向きであり,各リング
状ばねウェブ列においてばねウェブがらせん形に互いに
組み込んでいるようにすると有利である。しかし,2つ
の完全に形成された同心的なリング状ばねウェブ列の代
わりに,ただ1つのリング状ばねウェブ列の各ばねウェ
ブを,各ばねウェブが2つの互いに逆向きのらせん状の
ウェブ区分を有しているように湾曲させることも考えら
れる。このようにして,互いに逆向きの2つのねじり過
程が生ぜしめられ,これらのねじり過程の接触片に対す
る作用が互いに相殺されることになる。
【0010】
【実施例】以下においては,図面に示した実施例に基づ
いて本発明の構成を具体的に説明する。
【0011】図1は,本発明が適用される静電マイクロ
メカニカルリレーの基本的構造を概略的に示す。この場
合接極子基体1有利にはシリコンウエハーに,接極子の
ばね舌状部2が相応に不純物拡散処理をされたシリコン
層3の内部で選択的なエッチングによって形成されてい
る。ばね舌状部2の下面には二重層4が生ぜしめられて
おり,この二重層4は,図示の例では押圧応力を生ぜし
める SiO2 層と引張り応力を生ぜしめる Si3N4 層とか
ら成っている。これらの層の厚さを適当に選択すること
によって,ばね舌状部2を所望の形状に湾曲させること
ができる。更にばね舌状部2はその下面に接極子電極5
として金属層を有している。この接極子電極5は例えば
分割されていて,同一の平面内に接極子接触片7への金
属導電路6が形成されている。
【0012】接極子基体1はベース基体10上に固定さ
れており,このベース基体10は図示の例では耐熱ガラ
スから成っているが,しかし例えばシリコンから形成す
ることもできる。ベース基体10はその平らな表面上に
ベース電極11と,このベース電極11を接極子電極5
に対して絶縁する絶縁層12とを保持している。ベース
接触片13は図示していない形式で給電導体を備えてお
り,もちろんベース電極11に対して絶縁されて配置さ
れている。接極子電極5を有する湾曲したばね舌状部2
とベース電極11との間にはくさび形のエアギャップ1
4が形成されている。電圧源15から接極子電極5とベ
ース電極11との間に電圧を印加すると,ばね舌状部2
はベース電極11に向かって弾性変形し,これによって
ばね舌状部2が伸長して,接極子接触片7がベース接触
片13と接続される。なお,図1においては大きさの比
及び層の厚さは単に見やすいように示されているだけで
あって,実際の寸法比とは異なるものである。
【0013】接極子電極5がベース電極11上に平らに
密着する場合に,接極子接触片7とベース接触片13と
のために必要な接触力を生ぜしめるために,接極子接触
片7は接触ばね区分9に配置されており,この接触ばね
区分9は本来のばね舌状部2に対して部分的に切り離さ
れていて,弾性的にたわむことができ,これによって接
触力を生ぜしめることができる。図2には,既に提案さ
れている接触ばね区分9の例がしめされている。この接
触ばね区分9はスリット8によって,ばね舌状部2の側
縁に対して平行に切り離されていて,接触ばね区分9自
体は板ばね舌状部の形を有している。この接触ばね区分
9が片側でばね舌状部2に取り付けられていることによ
って,最初に述べた問題,すなわち,この接触ばね区分
9が比較的に大きな面を必要とし,これによってばね舌
状部2の電極面が小さくなり,大きな接触力を生ぜしめ
るために,接触ばね区分を短くかつ幅広くすると,接触
ばね区分9がばね舌状部2に片側で剛性的に連結されて
いることによって,スリット8の端部の区域及び接触ば
ね区分9の両側の電極区域において,切り替え動作が場
合によって不安定になるという問題が生ずる。
【0014】図3は,接極子接触片7が,すべての側を
ばね舌状部20によって取り囲まれている回転対称的な
接触ばね区分21に設けられている本発明によるばね舌
状部20を示す。この接触ばね区分21は,リング状に
並べられている同じ向きに円弧状に湾曲せしめられた非
半径方向のばねウェブ(ばねスポーク)22によって保
持されており,これらのばねウェブ22はスリット23
によって形成されていて,互いに離されている。この場
合スリット23はらせん区分として互いにオーバラップ
してリング状に配置されている。図3の例では,4つの
ばねウェブ若しくはばねスポーク22が設けられてお
り,この場合ばねスポーク22の形成に役立つらせん状
のスリット23はほぼ200°の角度範囲にわたってい
る。これによって,接極子接触片7の軸方向運動の際に
ばねウェブ22のねじりを生ぜしめるのに充分なオーバ
ラップが得られる。スリット23の長さ及び間隔に応じ
てばねウェブ22を柔らかくあるいは固くして,接触力
を調整することができる。いずれにせよばねウェブ22
は,その全範囲にわたって接触ばね区分21の回りで平
らにベース電極11上に密着し得るように,柔らかくし
ておかなければならない。
【0015】図3のように構成されたばね装置の切り替
え動作をコンピュータシミュレーションで検査した結
果,次のような値が有利であると分かった: ばね舌状部の全長 1750μm ばね舌状部の幅 1000μm 接触子接触片とばね舌状部の締め込み箇所との間隔 1300μm ばね舌状部の湾曲した区域の長さ 400μm スリットの幅 20μm スリットの角度範囲 200° コンピュータシミュレーションの結果は図4及び図5に
示されている。図4は切り替え動作の際の,ばね舌状部
20の種々の点とベース電極11との間隔Aと制御電圧
Uとの関係を示す。曲線a7は接極子接触片7の間隔A
の経過を示し,曲線a24はリング状ばねウェブ列のそ
ばの点24の間隔Aの経過を示し,曲線a25はばね舌
状部20の先端の点25の間隔Aの経過を示す。図4の
グラフは,閉じる場合並びに開く場合の明確な切り替え
動作を示している。図5の接触力Fの経過も明確な切り
替え動作を示している。応動電圧はほぼ11Vであり,
点24及び25は瞬間的にベース電極11に密着し,接
極子接触片7も瞬間的にベース接触片13に圧着され
る。応動状態において接極子接触片7とベース電極11
との間隔はゼロになるのではなく,ほぼ2.5μmのベ
ース接触片13の高さに相応する値になる。
【0016】リング状ばねウェブ列による接触ばね区分
の取り付けばね力は,応動電圧においてばね舌状部20
のすべての点が同時にベース電極11に密着するよう
に,選択しておかなければならない。図5のグラフから
分かるように,図3のようにばね懸架部を構成すると,
ほぼ1.8mNの接触力が得られるが,この値は図2に
示したような簡単なスリットによって切り離された接触
ばね区分の場合に得られる接触力のほぼ6倍である。
【0017】図6は第2実施例のばね舌状部30を示
す。この場合接触ばね区分31は,互いに同心的な2つ
のリング状ばねウェブ列によって,すなわち3つのばね
ウェブ(ばねスポーク)32及び3つのスリット33を
有する内側のリング状ばねウェブ列と,やはり3つのば
ねウェブ(ばねスポーク)34及び3つのスリット35
を有するる外側のリング状ばねウェブ列とによって,懸
架されている。これら両方のリング状ばねウェブ列は,
ばねウェブのらせんの向きが互いに逆向きになってい
る。この形式で,図3のばね装置の場合に切り替え動作
時にばねウェブ22のねじれによって生ぜしめられる揺
動運動が回避される。それは,両方のリング状ばねウェ
ブ列が互いに相殺し合う逆向きのねじり運動を行うから
である。
【0018】図6の実施例では,互いに内外に位置する
2つのリング状ばねウェブ列が同心的な連続している円
形リング36(破線で示す)によって互いに分離されて
いるが,同じ作用は図7の配置によっても達成すること
ができる。図7においてはただ1つのリング状ばねウェ
ブ列の各ばねウェブ(ばねスポーク)42が折り曲げら
れていて,互いに逆向きの2つの方向でねじり運動が行
われるようになっている。すなわち図7においては,ば
ね舌状部40内で接触ばね区分41が,4つのばねウェ
ブ42とそれらの間のスリット43を有するリング状ば
ねウェブ列によって懸架されている。各ばねウェブ若し
くはばねスポーク42は第1のスポーク区分42aと第
2のスポーク区分42bとを有しており,これらのスポ
ーク区分42a・42bは互いにヘアピン状に接続して
いる。スポーク区分42aは右回りらせんの形式で延び
ているのに対し,外側のスポーク区分42bは左回りら
せんの形式で延びている。このために,スリット43は
分岐せしめられている。この形式で,接極子接触片7が
軸方向に動く場合に,スポーク区分42aがスポーク区
分42bに対して逆方向にねじれ,したがって接極子接
触片7の軸方向の動きはほとんど回転なしに行われる。
【0019】締め込み箇所における半径が増大せしめら
れていることによって,スリット端部における機械的応
力が減少せしめられる。図7の配置は,わずかな所要ス
ペースでねじり区域を申し分のない長さにすることを可
能にする。
【0020】
【発明の効果】以上のように,リング状に並べられたば
ねウェブによって,接触ばね区分を本来のばね舌状部に
同軸的に取り付けることによって,接触ばね区分は,極
めて小さな面を有すればよく,本来の接触片よりもわず
かに大きいだけで充分である。接触ばね区分の取り付け
は,ねじりウェブの形のばねウェブ若しくはばねスポー
クを介して行われ,これらのばねウェブ若しくはばねス
ポークは,その形成スリットがリング状にオーバラップ
しているために,ほぼ円弧の形状であり,ばね舌状部に
対する接触ばね区分の所望の可動性並びに接触力を生ぜ
しめるための必要なばね力を,ばねウェブ若しくはばね
スポークの位置及び幅を相応に定めることによって,極
めてわずかな所要スペースで,調整することができる。
要するに,回転対象的なねじりウェブを介しての取り付
けは,長い舌状部状の板ばねを介しての,片側での取り
付けに比して,所要スペースが著しくわずかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】湾曲した接極子ばね舌状部を有するマイクロメ
カニカルリレーの基本的構造を示した図2の I−I 線に
沿った断面図である。
【図2】図1の II−II 線の方向で見たばね舌状部の下
面図である。
【図3】らせん形に区切られた接触ばね区分を有する本
発明によるばね舌状部の平面図である。
【図4】らせん形の接触ばね区分の個々の点の運動経過
と制御電圧との関係を示したグラフである。
【図5】接触力と制御電圧との関係を示したグラフであ
る。
【図6】接触ばね区分が互いに同心的にかつ互いに逆向
きに配置された2つのリング状ばねウェブ列によって懸
架されている本発明によるばね舌状部の平面図である。
【図7】接触ばね区分が,それぞれ折れ曲がって湾曲せ
しめられているばねウェブを有するリング状ばねウェブ
列によって懸架されている本発明によるばね舌状部の平
面図である。
【符号の説明】
1 接極子基体, 2 ばね舌状部, 3 シリコン
層, 4 二重層, 5接極子電極, 6 金属導電
路, 7 接極子接触片, 8 スリット, 9接触ば
ね区分, 10 ベース基体, 11 ベース電極,
12 絶縁層,13 ベース接触片, 14 エアギャ
ップ, 15 電圧源, 20 ばね舌状部, 21
接触ばね区分, 22 ばねウェブ(ばねスポーク),
23スリット, 24及び25 点, 30 ばね舌
状部, 31 接触ばね区分,32 ばねウェブ(ばね
スポーク), 33 スリット, 34 ばねウェブ
(ばねスポーク), 35 スリット, 36 円形リ
ング, 40 ばね舌状部, 41 接触ばね区分,
42 ばねウェブ(ばねスポーク), 42a(第1
の)スポーク区分, 42b (第2の)スポーク区
分, 43 スリット, a 曲線, A 間隔, F
接触力, U 制御電圧

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ベース基体(10)と,このベース基体
    (10)上に位置する接極子基体(1)とを有する静電
    マイクロメカニカルリレーであって,ベース基体(1
    0)は層状のベース電極(11)とベース接触片(1
    3)とを有しており,接極子基体(1)は,それに一端
    部だけを結合されているばね舌状部(2;20;30;
    40)を有しており,このばね舌状部(2;20;3
    0;40)は,層状の接極子電極(5)と,ばね舌状部
    (2;20;30;40)の自由端部の近くでばね舌状
    部(2;20;30;40)から部分的に切り離されて
    いる接触ばね区分(21;31;41)に設けられた接
    極子接触片(7)とを有しており,ばね舌状部(2;2
    0;30;40)が休止状態にある場合には,層状の接
    極子電極(5)と層状のベース電極(11)との間にエ
    アギャップ(14)が形成されており,接極子電極
    (5)とベース電極(11)との間に制御電圧が印加さ
    れることによって作業状態に切り替えられると,ばね舌
    状部(2;20;30;40)がベース基体(10)に
    密着して,接触ばね区分(21;31;41)の弾性変
    形によって接極子接触片(7)とベース接触片(13)
    とが互いに接触するようになっている形式のものにおい
    て,接触ばね区分(21;31;41)がすべての側を
    ばね舌状部(20;30;40)によって取り囲まれて
    いて,リング状に並べられている同じ向きに円弧状に湾
    曲せしめられた非半径方向のばねウェブ(22;32・
    34;42)を介して,ばね舌状部(20;30;4
    0)と線対称に結合されており,これらのばねウェブ
    (22;32・34;42)は,互いにオーバラップし
    てリング状に配置され,全体として360°を越える角
    度範囲にわたっている複数のスリット(23;33・3
    5;43)によって形成されていることを特徴とする,
    マイクロメカニカルリレー。
  2. 【請求項2】 スリット(23;33・35)が同心的に
    互いに組み込んでいるらせん区分の形状を有しているこ
    とを特徴とする,請求項1記載のリレー。
  3. 【請求項3】 スリット(23;33・35;43)の
    角度範囲が全体として360°の1.5〜3倍であるこ
    とを特徴とする,請求項1又は2記載のリレー。
  4. 【請求項4】 接触ばね区分(21;31;41)が互
    いに同心的に配置されているリング状ばねウェブ(32
    ・34)列によって保持されており,これらのリング状
    ばねウェブ列のばねウェブ(32・34)は互いに逆向
    きであり,各リング状ばねウェブ列において,ばねウェ
    ブ(32・34)がらせん形に互いに組み込んでいるこ
    とを特徴とする,請求項1から3までのいずれか1項に
    記載のリレー。
  5. 【請求項5】 リング状に並べられたばねウェブ(4
    2)が,それぞれ互いに逆向きのらせん区分の形の2つ
    の互いに逆向きのスポーク区分(42a・42b)を有
    していることを特徴とする,請求項1記載のリレー。
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