JP4045090B2 - 静電アクチュエータの調整方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電アクチュエータの調整方法に関し、特に静電アクチュエータの動作電圧特性の調整方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来の静電アクチュエータの構造を図１の分解斜視図及び図２の断面図に示す。この静電アクチュエータ１は、特開２０００−１６４１０４に開示されたものであって、主として固定基板２と可動基板３とから構成されている。固定基板２はガラス基板からなり、その上面には固定電極４と一対の固定接点５、６とが設けられ、固定電極４の表面は酸化物の絶縁膜７によって覆われている。また、固定接点５、６はそれぞれ配線８、９を通じて固定基板２上の接続パッド１０、１１に接続されている。
【０００３】
可動基板３はＳｉ基板を加工したものであり、４本の弾性梁１２によって支持された可動電極１３を中央部に有しており、可動電極１３の下面中央部には、絶縁層１４を介して可動接点１５が設けられている。可動基板３の下面周辺部には、アンカー１６が突出しており、アンカー１６によって可動基板３を固定基板２の上面に固定すると、可動電極１３が固定電極４と空間を隔てて対向し、可動接点１５が固定接点５、６間を跨ぐようにして固定接点５、６間と空間を隔てて対向する。
【０００４】
しかして、固定電極４と可動電極１３の間に駆動電圧を印加するとき、駆動電圧がある電圧値に達すると、固定電極４と可動電極１３の間に働く静電吸引力によって可動電極１３が固定電極４側へ吸引され、可動電極１３は弾性梁１２を撓ませることによって絶縁膜７を介して固定電極４に吸着される。可動電極１３が固定電極４に吸着されると、それと前後して、可動接点１５が固定接点５、６間に圧接され、可動接点１５によって固定接点５、６間が電気的に閉じられ、一対の接続パッド１０、１１間が導通する。
【０００５】
従って、理想的な静電アクチュエータでは、ＣＶ特性は図３に示すようになる。ここで、静電アクチュエータのＣＶ特性とは、固定電極４と可動電極１３の間に印加する駆動電圧Ｖdriveと両電極４、１３の間の静電容量Ｃとの関係である。図３において、Ｃ１は可動電極１３と固定電極４との間に駆動電圧が印加されていない状態での静電容量Ｃの値、Ｃ２は可動電極１３が絶縁膜７を介して固定電極４に吸着されている状態での静電容量Ｃの値、オン電圧Ｖonは可動電極１３が固定電極４に吸着される（あるいは、固定電極４から解放される）ときの駆動電圧Ｖdriveの値であって、理想的な静電アクチュエータでは、このＣＶ特性は駆動電圧Ｖdrive＝０ボルトの点に関して対称なプロファイルを有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の静電アクチュエータ、例えば上記のような静電アクチュエータでは、可動電極と固定電極との間に長時間駆動電圧を印加し続けた場合には、固定電極の上の絶縁膜が徐々に帯電することにより、静電アクチュエータにおけるオン電圧やオフ電圧等の動作電圧特性の変動が発生する。かかる動作電圧特性の変動の原因は、帯電のために固定電極と可動電極との間に外部から印加されている駆動電圧Ｖdrive以外の電位差が生じるためであるので、静電アクチュエータに動作電圧特性の変動が生じると、定格のオン電圧を印加しても静電アクチュエータが動作しなかったり、印加電圧をオフにしても静電アクチュエータがオフしないといった問題が発生する。以下においては、この動作電圧特性の変動の原因について詳しく説明する。
【０００７】
帯電の仕方は２つに分類される。これらを、それぞれプラスシフトとマイナスシフトと呼ぶことにする。プラスシフトとは、ＣＶ特性の中心値を駆動電圧のプラス側へシフトさせるような帯電をいう（図６参照）。プラスシフトの原因は、固定電極上の絶縁膜と可動電極との接触する部分でチャージトランスファ（電荷の移動）が起こり、絶縁膜が帯電することにある。ここで、チャージトランスファとは、絶縁体と導体の接触部分に電界と熱が掛かったときに、絶縁体に電荷が蓄積して帯電する現象をいう。
【０００８】
例えば、図４に示すように、可動電極１３が正電位となるようにして可動電極１３と固定電極４との間に駆動電圧Ｖdriveを印加する場合、可動電極１３と絶縁膜７との接触部分では、絶縁膜７表面の電子ｅが可動電極１３へ移動して絶縁膜７にホールｈが残り、絶縁膜７がプラスに帯電する。ただし、可動電極と固定電極の間に印加する駆動電圧の極性を反対にして可動電極が負電位となるようにした場合には、絶縁膜はマイナスに帯電する。
【０００９】
プラスシフトが起きると、プラスシフト帯電により可動電極１３と固定電極４の間の印加電圧Ｖappは帯電量分の電圧ΔＶp（＞０）だけ低下して
Ｖapp＝Ｖdrive−ΔＶp
となり、その結果、見掛けのオン電圧はＶon＋ΔＶp（ただし、Ｖonは帯電がないときのオン電圧の値）に上昇する。よって、プラスシフトの弊害は、可動接点１５により固定接点５、６間を閉じるための最低駆動電圧（見掛けのオン電圧）の上昇となって現れ、プラスシフトが大きい場合には、定格電圧を印加しても静電アクチュエータがオンしなくなる。
【００１０】
また、マイナスシフトとは、ＣＶ特性の中心値を駆動電圧のマイナス側へシフトさせるような帯電をいう（図６参照）。マイナスシフトの原因は、イオン性耐電にある。すなわち、陽極接合等のプロセスによって発生したイオンが酸化物の絶縁膜中に拡散し、絶縁膜中に拡散した正負のイオンが、可動電極と固定電極の間に印加された電界によって互いに反対側へ移動することにある。
【００１１】
例えば、図５に示すように、可動電極１３が正電位となるようにして可動電極１３と固定電極４との間に駆動電圧Ｖdriveを印加する場合、酸化物の絶縁膜７中に拡散した陽イオンｐが固定電極４との界面方向へ移動し、陰イオンｎが絶縁膜７の表面方向へ移動して絶縁膜７の表面がマイナスに帯電する。ただし、可動電極と固定電極の間に印加する駆動電圧の極性を反対にして可動電極が負電位となるようにした場合には、絶縁膜はプラスに帯電する。
【００１２】
このようなマイナスシフトが起きると、イオン性帯電により可動電極１３と固定電極４の間の印加電圧Ｖappは帯電量分の電圧ΔＶn（＞０）だけ増加して
Ｖapp＝Ｖdrive＋ΔＶn
となり、その結果、見掛けのオン電圧はＶon−ΔＶn（ただし、Ｖonは帯電がないときのオン電圧の値）に低下する。よって、マイナスシフトの弊害は、固定接点間を開くための最低駆動電圧（見掛けのオン電圧）の低下となって現れ、駆動電圧Ｖdriveを０ボルトにしても静電アクチュエータがオフしなくなったり、オフしにくくなったりする（即ち、静電アクチュエータがスティックしたり、スティックし易くなったりする）。
【００１３】
このようにして、静電アクチュエータを駆動しているうちに絶縁膜が必ず帯電してしまい、設計通りの性能を確保できなくなる問題があった。図６は静電アクチュエータの熱的耐久試験を行う前後におけるＣＶ特性の変化を示す図である。図６に破線及び菱形のポイントで示したＣＶ特性Ｆ０は、熱的耐久試験を行う前の初期特性を表しており、駆動電圧Ｖdriveに対して対称な特性を示している。図６に実線で示したＣＶ特性Ｆ＋、Ｆ−は、周囲温度８５℃、駆動電圧２４ボルト、試験時間１００時間の条件で熱的耐久試験を行った後のＣＶ特性を示しており、実線及び四角のポイントで表したＦ＋はプラスシフトを生じたもの、実線及び三角のポイントで表したＦ−はマイナスシフトを生じたものを示している。
【００１４】
【発明の開示】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところはプラスシフトやマイナスシフト等の帯電現象を制御することにより電極の閉成時における動作電圧特性のシフトを小さくすることができる静電アクチュエータの調整方法を提供することにある。
【００１５】
本発明にかかる第１の静電アクチュエータの調整方法は、第１の電極と第２の電極を対向させて配設し、第１の電極と第２の電極が対向している領域で、両電極のうち少なくとも一方の電極の対向面に絶縁膜を形成し、両電極のうち少なくとも一方の電極又は前記絶縁膜の対向面に突起を設け、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加したときの静電引力で第１の電極と第２の電極のうち少なくとも一方の電極を駆動させることにより、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して当接するようにした静電アクチュエータにおいて、前記絶縁膜の厚みにより変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向と前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向とが向きであり、且つ、前記絶縁膜の厚みにより変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量が前記絶縁膜の接触面積によって変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量にほぼ等しくなるように、前記絶縁膜の厚みを定めることを特徴としている。
本発明の第１の静電アクチュエータの調整方法によれば、絶縁膜の厚みを調整することにより、例えばイオン性帯電による絶縁膜の正又は負の帯電量を制御することができる。この結果、イオン性帯電による動作電圧特性のシフトとチャージトランスファによる動作電圧特性のシフトとを釣り合わせることができ、静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフトを小さくすることができる。
【００１６】
本発明にかかる第２の静電アクチュエータの調整方法は、第１の電極と第２の電極を対向させて配設し、第１の電極と第２の電極が対向している領域で、両電極のうち少なくとも一方の電極の対向面に絶縁膜を形成し、両電極のうち少なくとも一方の電極又は前記絶縁膜の対向面に突起を設け、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加したときの静電引力で第１の電極と第２の電極のうち少なくとも一方の電極を駆動させることにより、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して当接するようにした静電アクチュエータにおいて、前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向と前記絶縁膜の厚みにより変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向とが向きであり、且つ、前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量が前記絶縁膜の厚みによって変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量にほぼ等しくなるように、第１の電極と第２の電極が対向している領域において第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の接触面積を定めることを特徴としている。
本発明の第２の静電アクチュエータの調整方法によれば、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の接触面積を調整することにより、例えばチャージトランスファによる絶縁膜の正又は負の帯電量を制御することができる。この結果、イオン性帯電による動作電圧特性のシフトとチャージトランスファによる動作電圧特性のシフトとを釣り合わせることができ、静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフトを小さくすることができる。
【００１７】
本発明にかかる第３の静電アクチュエータの調整方法は、第１の電極と第２の電極を対向させて配設し、第１の電極と第２の電極が対向している領域で、両電極のうち少なくとも一方の電極の対向面に絶縁膜を形成し、両電極のうち少なくとも一方の電極又は前記絶縁膜の対向面に突起を設け、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加したときの静電引力で第１の電極と第２の電極のうち少なくとも一方の電極を駆動させることにより、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して当接するようにした静電アクチュエータにおいて、前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向と前記絶縁膜の厚みにより変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向とが逆向きであり、且つ、前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量と前記絶縁膜の厚みによって変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量とがほぼ等しくなるように、第１の電極と第２の電極が対向している領域において第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の接触面積と前記絶縁膜の厚みを定めることを特徴としている。
本発明の第３の静電アクチュエータの調整方法によれば、絶縁膜の厚みを調整することにより、例えばイオン性帯電による絶縁膜の正又は負の帯電量を制御することができる。また、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の接触面積を調整することにより、例えばチャージトランスファによる絶縁膜の正又は負の帯電量を制御することができる。この結果、イオン性帯電による動作電圧特性のシフトとチャージトランスファによる動作電圧特性のシフトとを釣り合わせることができ、全体としての電極閉成時における動作電圧特性のシフトを小さくすることができる。
【００１８】
本発明の第１及び第３の静電アクチュエータの調整方法の実施態様においては、前記絶縁膜は、材料の異なる複数の層によって構成され、前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量と前記絶縁膜の厚みによって変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量とがほぼ等しくなるように、第１の電極又は第２の電極に直接接する層の厚みを定めている。かかる実施態様は、イオン性帯電による帯電量を制御するのに効果的である。
しかも、当該実施態様における絶縁膜は、酸化膜と窒化膜によって構成されていてもよい。絶縁膜を酸化膜と窒化膜によって構成すれば、イオン性帯電による帯電量を抑制する効果を有すると共に、工法の最適化を図り、容易かつ歩留まり良く静電アクチュエータを製作することができる。すなわち、窒化膜はイオンを通過させにくい物性を持ち、しかも窒化膜を設けることによって耐電圧特性を維持したままで酸化膜を薄くすることが可能になるので、イオン性帯電による絶縁膜の帯電量を抑制することができる。特に、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜によって構成することにより容易かつ歩留まりよく静電アクチュエータを製作することができる。
本発明の第１及び第３の静電アクチュエータの調整方法の別な実施態様においては、絶縁膜を単一の材料で形成している。絶縁層を単一の材料で形成すれば、絶縁膜の構造を簡単にして絶縁膜の製作を容易にすることができる。
【００１９】
本発明の第２及び第３の静電アクチュエータの調整方法の実施態様においては、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の少なくとも一方の表面に前記突起を少なくとも１つ形成し、当該突起の接触面積を調整することによって前記絶縁膜の接離する箇所の接触面積を定めている。この実施態様によれば、当該突起（例えば、突起の個数や個々の突起の接触面積）によって前記接離する箇所の全体の接触面積を調整することができる。この突起の表面形状は、球面状に形成するのが望ましい。突起の表面を球面状に形成することにより、他方の電極との接触面積を小さくできてチャージトランスファによる帯電量の抑制に効果的であり、しかも、空間充填率を高くして両電極間の静電引力を強くできる。
【００２７】
なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図７は本発明の一実施形態による静電アクチュエータの斜視図、図８は図７のＸ−Ｘ線に沿った断面図、図９は当該静電アクチュエータの構造を示す分解斜視図である。この静電アクチュエータ２１はマイクロマシニング技術を用いて製作されるマイクロマシンドリレーであって、大きくは固定基板２２と可動基板２３とキャップ２４とに分けられる。
【００２９】
固定基板２２においては、ガラス基板等からなる基板２５上に金属膜によって２本の信号線２６、２７が形成され、各信号線２６、２７の端部が基板２５上面の中央部で小さな隙間を隔てて対向していて、それぞれ固定接点２８、２９となっている。また、両信号線２６、２７の左右両側にはそれぞれ固定電極３０が設けられており、両側の固定電極３０は固定接点２８、２９間の隙間を通って連続している。固定電極３０の表面は絶縁膜３１によって覆われている。さらに、絶縁膜３１の上面には、微少な突起３２が複数個ないし多数突設されている。信号線２６、２７の各端部の左右両側には、それぞれ固定電極３０に導通した固定電極パッド３３が設けられている。さらに、基板２５上面の１つのコーナー部には、可動電極パッド３４が設けられている。なお、突起３２は数１００〜数１０００Å程度の大きさであるが、図９では説明の便宜上、突起３２の径及び突き出し高さをいずれも実際の相対的寸法よりも大きく誇張して描いている。
【００３０】
可動基板２３はＳｉによって形成されていて導電性を有しており、ほぼ中央に形成された可動接点領域３５の両側に弾性支持部３６を介して可動電極３８が形成されており、各可動電極３８には弾性屈曲部４０を介してアンカー４２が設けられている。また、可動接点領域３５の下面には、酸化膜（ＳｉＯ２）や窒化膜（ＳｉＮ）からなる絶縁層４４を介して金属等の導電性材料からなる可動接点４５が設けられている。可動基板２３は、陽極接合等によってアンカー４２を固定基板２２上に固定することによって固定基板２２の上方で弾性的に支持されており、可動電極３８が絶縁膜３１を介して固定電極３０と対向し、また、可動接点４５が両固定接点２８、２９間を跨ぐようにして対向している。可動基板２３は、固定基板２２の上面に固定されることにより、可動電極パッド３４と電気的に接続される。
【００３１】
キャップ２４はガラス等によって形成されており、下面には凹部４６が形成されている。キャップ２４は、固定基板２２の上面に接合された可動基板２３の上から固定基板２２の上に被され、下面外周部を低融点ガラスなどの封止部材を用いて固定基板２２の上面に接合される。この結果、可動基板２３、固定接点２８、２９、固定電極３０等は、キャップ２４の凹部４６内に気密的に封止される。
【００３２】
図１０は、固定電極３０と可動電極３８との間のショートを防ぐための絶縁膜３１の構造を示している。絶縁膜３１は、多層構造を有しており、電極側から酸化膜（ＳｉＯ２）４８、窒化膜（ＳｉＮ）４７、酸化膜（ＳｉＯ２）３９によって構成されている。この絶縁膜３１においては、電極直近の酸化膜４８の膜厚を薄くすることによってイオンによる帯電量を極力少なくしており、帯電しにくい窒化膜４７の厚みを比較的大きくすることによって耐圧特性などを確保しており、酸化膜３９で窒化膜４７を覆うことによって絶縁膜３１を形成する際のプロセス性を確保している。
【００３３】
上記のような静電アクチュエータ２１では、固定電極３０と可動電極３８の間にオン電圧以上の駆動電圧Ｖdriveを印加して静電引力を発生させる。両電極間の静電引力で可動電極３８が引き付けられると、可動基板２３の弾性屈曲部４０が撓んで可動電極３８が固定電極３０側へ移動する。可動電極３８が固定電極３０側へ移動すると、まず可動接点４５が固定接点２８、２９に接触して固定接点２８、２９間を閉じ、２本の信号線２６、２７を電気的に導通させる。可動接点４５が固定接点２８、２９に接触した後も、さらに可動電極３８は固定電極３０に引き付けられ、絶縁膜３１を介して固定電極３０に吸着される。これによって、可動接点４５は弾性支持部３６の弾性力によって固定接点２８、２９に圧接させられる。また、駆動電圧Ｖdriveを除いて静電引力を消失させることにより、可動電極３８を弾性力により元の形状に復帰させて固定電極３０から離間させ、同時に可動接点４５を固定接点２８、２９から離間させて信号線２６、２７間を電気的に遮断する。固定接点２８、２９間を開く際には、弾性支持部３６の弾性力によって接点開離力が強まって固定接点２８、２９間が即断される。
【００３４】
この静電アクチュエータ２１では、絶縁膜３１の表面に微少な突起３２が形成されているので、静電アクチュエータ２１を駆動して可動電極３８が絶縁膜３１を介して固定電極３０に吸着されたとき、可動電極３８と絶縁膜３１は全面で密着することはなく、突起３２以外では接触しない構造となっている。前記のようにプラスシフトは、可動電極３８と絶縁膜３１との間におけるチャージトランスファが原因で起きるものであるから、図１１に示すように、絶縁膜３１に設けられた突起３２の面積でチャージトランスファによる正の帯電量が変化する。よって、突起３２の総面積（突起３２の個数や個々の面積）を調整することにより、可動電極３８と絶縁膜３１との間における帯電量を制御でき、プラスシフトの程度を調整することができる。例えば、突起３２による絶縁膜３１と可動電極３８の接触面積を小さくすることによってチャージトランスファを抑制し、プラスシフトによる帯電を起きにくくすることができる。
【００３５】
また、マイナスシフトは、前記のように酸化膜４８内におけるイオンの偏りが原因となるので、酸化膜４８の厚みを調整することによりマイナスシフトを制御することができる。特に、酸化膜４８の厚みを薄くすることによってマイナスシフトによる帯電量を小さくすることができる。しかし、酸化膜４８（絶縁膜３１）の厚みを薄くすると、可動電極３８と固定電極３０との間の耐圧が低下する。そこで、この静電アクチュエータ２１では、イオンを通しにくい窒化膜４７の層を絶縁膜３１内に設け、図１２に示すように、その分酸化膜４８の厚みを薄くすることによって耐電圧特性を維持したまま陽イオンｐと陰イオンｎの偏りを小さくし、マイナスシフトを抑制している。
【００３６】
よって、この静電アクチュエータ２１によれば、プラスシフトとマイナスシフトを制御し、静電アクチュエータ２１のＣＶ特性を良好にし、プラスシフトやマイナスシフト等による帯電現象を制御することができる。この結果、例えば静電リレーなどの場合には、オン電圧やオフ電圧等の動作電圧特性を制御し、その変動を小さくすることができる。ただし、突起３２によるプラスシフトの制御と酸化膜４８の厚みによるマイナスシフトの制御とは、いずれもプラスシフトによる絶縁膜３１の帯電量やマイナスシフトによる絶縁膜３１の帯電量を小さくすることを意味するものではない。すなわち、プラスシフトによる帯電量やマイナスシフトによる帯電量を小さくしない場合であっても、プラスシフトとマイナスシフトのうち少なくとも一方を制御することにより、プラスシフトによる帯電量とマイナスシフトによる帯電量とが互いに打ち消し合ってプラスマイナスゼロとなるようにすることにより、全体としては絶縁膜３１の帯電量がゼロとなるようにすることもできる。具体的にいうと、プラスシフトは突起３２と可動電極３８との接触面積の総和を主たる因子として決められるので、突起３２の数やその接触面積を調整することによってプラスシフトを制御することができ、また、マイナスシフトは絶縁膜３１の総膜厚によって決まるが、特に、電極に最も近い酸化膜４８の膜厚が主たる因子となるので、酸化膜４８の膜厚を調整することによってマイナスシフトを制御することができる。そこで、突起３２によってプラスシフトを調整し、酸化膜４８の厚みによってマイナスシフトを調整し、プラスシフトによる帯電量とマイナスシフトによる帯電量とが互いに打ち消し合って両者の和がゼロになるようにすればよい。あるいは、プラスシフトによる帯電で生じる電位差とマイナスシフトによる帯電で生じる電位差とが打ち消し合うようにしてもよい。これらの方法を直接実行することが困難な場合には、熱的耐久試験後のＣＶ特性においてプラス側へのシフトとマイナス側へのシフトとが打ち消しあって、ＣＶ特性の中心値のシフトがなくなるようにしてもよい。
【００３７】
なお、上記実施形態では固定電極３０に絶縁膜３１を設けたが、図１３に示すように、可動電極３８に絶縁膜３１を設けてもよい。また、図１４に示すように、固定電極３０と可動電極３８の双方に絶縁膜３１を設けてもよく（例えば、可動電極３８に窒化膜４７を設け、固定電極３０に酸化膜４８を設けたもの）、その場合には、いずれか一方に突起３２を形成しておけばよい。また、図１５に示すように、絶縁膜３１と突起３２を分離し、固定電極３０と可動電極３８のうち一方に絶縁膜３１を設け、他方に突起３２を設けるようにしてもよい。
【００３８】
（第２の実施形態）
ところで、設計によっては、プラスシフトとマイナスシフトのうち一方のシフトしか発生しない静電アクチュエータも想定できる。例えば、当接面積がゼロの静電アクチュエータ（例えば、弾性屈曲部の弾性が高くて可動電極が固定電極や絶縁膜に当接しないものがある。ただし、このような静電アクチュエータでは、静電アクチュエータのサイズが大きくなる、あるいは駆動力（トルク）が低下するため同じ駆動力を得るためには電極サイズを大きくしなければならないといった不具合がある。）では、チャージトランスファによるプラスシフトは発生しない。
【００３９】
このように一方のシフトしか発生しない場合には、それに応じて、絶縁膜３１の突起３２と絶縁膜３１の酸化膜４８のうち、いずれか一方の帯電量制御手段のみを用いてもよい。従って、以下においてはプラスシフトを制御する手段とマイナスシフトを制御する手段に分けて説明することとし、まずマイナスシフトを制御する手段として、絶縁膜３１の種々の形態を説明する。
【００４０】
なお、本発明は絶縁膜を介して固定電極と可動電極とを対向させた静電アクチュエータとして広く用いることができるものであり、図７〜図９に示したような静電アクチュエータに限るものでない。図７〜図９に示した静電アクチュエータは静電マイクロリレー向けの構造を示したものであって、本発明の静電アクチュエータは、一般的には、固定接点や可動接点を必要とするものではない。以下の説明でも図７〜図９等の静電アクチュエータに用いたのと同じ符号を用いて説明するが、適用対象は図７〜図９等のような静電アクチュエータに限るものではない。
【００４１】
図１６に示す静電アクチュエータにおいては、固定電極３０上に下面側から酸化膜４８と窒化膜４７を積層して絶縁膜３１が形成されている。また、図１７に示す絶縁膜３１は、固定電極３０上に下面側から窒化膜４７と酸化膜４８を積層したものである。図１８に示す絶縁膜３１は、固定電極３０上に下面側から窒化膜４７と酸化膜４８と窒化膜４７を積層したものである。また、図１９に示すように固定電極３０上に酸化膜４８と窒化膜４７を任意の順で積層し、その上に窒化膜４７、酸化膜４８以外の第３の絶縁膜４９を積層してもよい。あるいは、図示しないが、窒化膜と酸化膜を含む４層以上で構成された絶縁膜でもよい。
【００４２】
酸化膜と窒化膜の帯電のし易さを比較すると、酸化膜のほうが１００倍以上帯電し易い。しかし、可動電極３８と固定電極３０の接触面積が著しく小さい場合（例えば、図２７のように突起が円錐形状などをしている場合）には、プラスシフト量が小さくなる。トータルの帯電量をゼロにすることを望むときには、マイナスシフト量も小さくする必要があり、その一つの方法としては酸化膜４８を薄くする方法があるが、酸化膜４８は帯電し易いために薄い膜にしてもプラスシフトによる帯電量とマイナスシフトによる帯電量とのバランスが取れないことが起きる。そのような場合には、図１６〜図１９の実施形態のように、帯電しにくい窒化膜４７を電極直近に持ってきて帯電量を制御するようにすればよい。
【００４３】
ここでは、固定電極３０に絶縁膜３１を設けた場合を説明したが、可動電極３８に設けてあってもよいのはもちろんである。また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、窒化膜と酸化膜からなる絶縁膜について説明したが、電極に設ける絶縁膜の材質は窒化膜や酸化膜に限るものではない。絶縁膜３１における帯電量は主に酸化膜４８の膜厚で決まり、窒化膜４７は耐電圧特性など必要な膜厚を確保するために使われているので、これらの機能を持つ材質であれば、窒化膜４７や酸化膜４８の種類は特に問わない。
【００４４】
ただし、酸化膜（ＳｉＯ２）と窒化膜（ＳｉＮ）との組み合わせによれば、マイナスシフトを制御する効果を有すると共に、工法の最適化を図り、容易かつ歩留まり良く静電アクチュエータを製作することができる。すなわち、前者の効果であるマイナスシフトの制御は、電極側直近の酸化膜４８の膜厚制御によって実現されるものであり、絶縁膜４８の膜厚を薄くすることによってイオンを内包しにくいものにできる。後者の高歩留まりの特徴は、加工困難な窒化膜４７の特性を、酸化膜３９で補ったことによる効果である。窒化膜はエッチング時にはガラスやシリコンとの選択比が低いこと、効果的なウエットエッチャントが無いことが加工上の障害となるので、絶縁膜３１の全てを窒化膜４７で構成すると、ガラスからなる基板２５や他のメタル層のオーバーエッチが大きくなったり、不必要なダメージを与えたりして加工精度の劣化を伴う。その解決策の一つは、窒化膜４７がガラスや他のメタルに直接触れない構造にすることであり、その緩衝層として、加工容易でかつ必要な誘電率と絶縁性を有する酸化膜３９を用いて窒化膜４７の表面を覆うことで解決される。
【００４５】
（第３の実施形態）
次に、プラスシフトを制御する手段として、突起３２の種々の形態を説明する。突起３２は、固定電極３０と可動電極３８のうち絶縁膜３１と同じ側に設けられていてもよく、反対側に設けられていてもよい。また、突起３２を絶縁膜３１と同じ側に設ける場合には、絶縁膜３１と一体に形成してもよく、別個に形成してもよい。突起３２は絶縁膜３１の構成材料と同じ材料、例えば酸化物（ＳｉＯ２）や窒化物（ＳｉＮ）によって形成してもよく、絶縁膜３１とは異なる材料、例えば金属によって形成されていてもよい。特に、絶縁膜３１と異なる側、例えば可動電極３８に突起３２を設ける場合には、電極材料によって電極（例えば、可動電極３８）の表面に突起３２を形成してもよい。
【００４６】
具体例で説明すると、図２０に示す静電アクチュエータでは、固定電極３０と可動電極３８のうち一方に絶縁膜３１を設け、絶縁膜３１の上面に絶縁膜３１（の最上層）と同一材料により絶縁膜３１と一体に突起３２を形成したものである。図２１に示すものは、絶縁膜３１の上面に絶縁膜３１（の最上層）と異なる絶縁材料により単独で突起３２を形成したものである。図２２に示すものは、絶縁膜３１の上面に導電性の膜により突起３２を形成したものである。また、図２３に示すものは、固定電極３０と可動電極３８のうち一方に絶縁膜３１を設け、他方の電極の対向面に当該電極と同一材料により当該電極と一体に突起３２を形成したものである。図２４に示すものは、固定電極３０と可動電極３８のうち絶縁膜３１を設けた電極と異なる電極の対向面に絶縁材料によって突起３２を形成したものである。図２５に示すものは、固定電極３０と可動電極３８のうち絶縁膜３１を設けた電極と異なる電極の対向面に、当該電極の材料と異なる導電性材料によって突起３２を形成したものである。なお、図２０〜図２５においては、絶縁膜３１が固定電極側に位置しているが、絶縁膜３１が可動電極側に位置していて固定電極３０と可動電極３８が入れ替わった構成になっていてもよい。
【００４７】
次に、突起３２の形状について検討する。図２６（ａ）は円筒状の突起３２を示し、図２７（ａ）は円錐状の突起３２を示し、図２８（ａ）は表面が球面状をした突起３２を示している。図２６（ａ）に示すような円筒状の突起３２の場合には、図２６（ｂ）に示すように、電極間の空間充填率が高いが、可動電極３８との接触面積が大きくなり、プラスシフトの抑制効果が小さくなる。また図２７（ａ）に示すような円錐状の突起３２の場合には、図２７（ｂ）に示すように、可動電極３８との接触面積は小さくなるが、電極間の空間充填率が低くなる。このように空間充填率が低いと、静電アクチュエータにおける可動電極３８の吸引力が低下する。これに対し、図２８（ａ）に示す表面が球面状をした突起３２の場合には、図２８（ｂ）に示すように、接触面積が頂点の微少領域αであり、かつ、電極間の空間充填率が大きく、理想的な突起３２といえる。また、図２９（ａ）（ｂ）に示すものは、いずれも球面状をした突起３２の変形例である。すなわち、図２９（ａ）は、絶縁膜３１の上に円柱状の下地ポスト３２ａを形成し、その上に未硬化の突起材料を滴下して表面張力で球面状の湾曲部３２ｂを形成し、下地ポスト３２ａと湾曲部３２ｂによって突起３２を形成したものである。また、図２９（ｂ）は絶縁膜３１の上に円柱状の下地ポスト３２ａを形成し、その上から絶縁膜３１の上に突起材料をスパッタ等によって堆積させて湾曲部３２ｂを形成し、下地ポスト３２ａと湾曲部３２ｂによって突起３２を形成したものである。これらの変形例によれば、空間充填率はより大きくなる。
【００４８】
図３０（ａ）（ｂ）（ｃ）は図２９（ｂ）に示した構造の作製方法を説明する断面図である。この作製方法では、第一次スパッタにより固定電極３０の上に酸化膜４８を形成し、その上に窒化膜４７を形成し、さらにその上に酸化膜５０を形成する（図３０（ａ））。ついで、上の酸化膜５０をエッチング等によって加工し、窒化膜４７の上に円柱状をした複数の下地ポスト３２ａを設ける（図３０（ｂ））。この後、第二次スパッタにより、下地ポスト３２ａの上から窒化膜４７の上面に酸化膜を堆積させて湾曲部３２ｂを形成すると、下地ポスト３２ａの箇所では湾曲部３２ｂの表面は球面状に近くなり、図２９（ｂ）のような構造が実現される。
【００４９】
また、図３１（ａ）（ｂ）（ｃ）は図２９（ｂ）に示した構造と類似した構造の作製方法を説明する断面図である。この作製方法では、第一次スパッタにより固定電極３０の上に酸化膜５０を形成する（図３１（ａ））。ついで、酸化膜５０をエッチング等によって加工し、固定電極３０の上に円柱状をした複数の下地ポスト３２ａを設ける（図３１（ｂ））。この後、第二次スパッタにより、下地ポスト３２ａの上から固定電極３０の上面に酸化膜を堆積させて湾曲部３２ｂを形成すると、下地ポスト３２ａの箇所では湾曲部３２ｂの表面が球面状に近くなり、図２９（ｂ）と類似した構造が実現される。図３１（ａ）（ｂ）（ｃ）のようにして下地ポスト３２ａとその上面の酸化膜（湾曲部３２ｂ）によって作製される突起３２も、下地ポスト３２ａ間の酸化膜も、絶縁膜３１の上に形成されるものでは無く、下地ポスト３２ａと酸化膜自体が絶縁膜３１の機能を兼ねている。
【００５０】
図３２、図３３に示すものは、突起３２自体が絶縁膜３１となったものである。すなわち、図３２に示す突起３２は、酸化物等の絶縁材料によって固定電極３０の上に形成されており、突起３２が絶縁膜３１を兼ねている。また、図３３に示す突起３２は、固定電極３０の上に酸化膜４８、窒化膜４７及び酸化膜３９を積層して形成されており、突起３２が絶縁膜３１を兼ねている。
【００５１】
第２及び第３の実施形態では、絶縁膜３１と突起３２を別々に説明したが、絶縁膜３１に窒化膜４７を設けると共に突起３２を形成する場合には、ここで説明したような（説明外のものも含めて）絶縁膜の構造と突起の構造を任意に組み合わせることができる。
【００５２】
また、第２の実施形態で説明したような窒化膜４７を含んだ絶縁膜３１と、第３の実施形態で説明したような突起３２とは、それぞれ単独で使用することもできる。すなわち、プラスシフトを生じないような構造の静電アクチュエータの場合には、酸化膜４８の膜厚を薄くすることによってマイナスシフトを低減させるようにすればよい。また、プラスシフトとマイナスシフトとを生じる場合であっても、酸化膜４８の膜厚を薄くすることによってマイナスシフトによる帯電量だけを制御し、制御されたマイナスシフトによる帯電量で、制御されないプラスシフトの帯電量を打ち消し、プラスマイナスゼロとなるようにすることもできる。なお、このとき帯電しにくい窒化膜４７によって絶縁膜３１のトータルの膜厚を制御することができる。同様に、マイナスシフトを生じないような構造の静電アクチュエータの場合には、突起３２を設けることによってプラスシフトを低減させるようにすればよい。また、プラスシフトとマイナスシフトとを生じる場合であっても、突起３２の接触面積によってプラスシフトによる帯電量だけを制御し、制御されたプラスシフトによる帯電量で、制御されないマイナスシフトの帯電量を打ち消し、プラスマイナスゼロとなるようにすることもできる。
【００５３】
図３４は静電アクチュエータの熱的耐久試験を行う前後におけるＣＶ特性の変化を示す図であって、突起３２の効果を確認したものである。すなわち、図３５に示すように、固定電極の上に酸化膜（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜３１を形成し、絶縁膜３１の上に同じく酸化膜（ＳｉＯ２）からなる突起３２を形成した静電アクチュエータを作製した。ここで、絶縁膜３１の厚みＴを２０００〜２５００Å、突起３２の高さＨを４００〜６００Å、突起３２の直径Ｄを２５〜３５μｍとし、突起３２を１００〜１１０μｍのピッチＰで複数形成した。この計測対象となる静電アクチュエータの固定電極と可動電極の間に定格電圧の駆動電圧を印加した状態で、８５℃の雰囲気下に１０００時間保持した後、標準状態で２時間放置した。このような熱的耐久試験を経た静電アクチュエータに対してＣＶ特性を計測した結果を示したものが図３４のグラフである。
【００５４】
図３４において、破線及び菱形のポイントで表したものは静電アクチュエータのＣＶ初期特性Ｆ０を表している。また、図３４に実線で示したＣＶ特性のうち、実線及び四角のポイントで表したＦ＋はプラスシフトを生じた静電アクチュエータのＣＶ特性を示し、実線及び三角のポイントで表したＦ−はマイナスシフトを生じた静電アクチュエータのＣＶ特性を示している。図３４のＣＶ特性と、図６に示したＣＶ特性とを比較すれば、図３４のＣＶ特性ではＦ＋、Ｆ−のシフト量がきわめて小さくなっており、突起を設けた効果は明らかである。
【００５５】
（第４の実施形態）
図３６、図３７は、本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータのうち、固定電極３０と可動電極３８の部分を表している。この実施形態は、固定電極３０と可動電極３８のうち少なくとも一方の電極を湾曲させることによって絶縁膜３１と電極との接触面積を小さくし、プラスシフトを抑制できるようにしたものである。
【００５６】
まず、図３６について説明する。これは、平坦な固定電極３０の上に窒化膜４７を含む絶縁膜３１を形成し、中央部が固定電極３０側へ向けて突出するように可動電極３８を溝状ないし球面状に湾曲させたものである。この実施形態では、可動電極３８が湾曲しているので、可動電極３８と絶縁膜３１との接触面積が小さくなり、それによってプラスシフトが抑制されており、酸化膜４８の膜厚を薄くすることによってマイナスシフトが抑制されている。同様に、図３７の実施形態では、可動電極３８側へ向けて突出するように固定電極３０を溝状ないし球面状に湾曲させ、この固定電極３０の上に窒化膜４７を含む絶縁膜３１を形成したものである。この実施形態では、固定電極３０及び絶縁膜３１が湾曲しているので、可動電極３８と絶縁膜３１との接触面積が小さくなり、それによってプラスシフトが抑制されており、酸化膜４８の膜厚を薄くすることによってマイナスシフトが抑制されている。
【００５７】
また、図３６の実施形態のように可動電極３８をはじめから湾曲させておくのでなく、例えば両持ち支持された可動電極３８が固定電極側へ吸引されることによって弾性変形し、溝状ないし球面状に湾曲する場合であってもよい。あるいは、図示しないが、可動電極３８が片持ち支持されていて、可動電極３８が固定電極３０側へ吸引されることによって可動電極３８が傾いて斜めになり、可動電極３８が固定電極３０ないし絶縁膜３１に小さな接触面積で接触するようにしてもよい。
【００５８】
（第５の実施形態）
図３８は本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を示す断面図である。この静電アクチュエータでは、ガラス基板等の基板２５の上面に、互いに間隔をあけて複数の分離したポスト状もしくは線状をした固定電極３０を設け、固定電極３０全体を覆うようにして固定電極３０の上面に絶縁膜３１を形成している。また、可動電極３８の下面には、固定電極３０と対向しないようにして複数のポスト状もしくは線状をした突起３２を設けている。なお、固定電極３０と突起３２が対向して重なり合わなければ、固定電極３０と突起３２のうち一方は格子状ないし網目状に形成されていてもよい。
【００５９】
このような実施形態では、固定電極３０と可動電極３８の間に生じる電界は、固定電極３０の設けられている箇所だけであるので、電極どうしの接触箇所、すなわち突起３２と絶縁膜３１の当接する箇所には大きな電界は生じない。よって、このような構造によれば、チャージトランスファによる帯電が生じにくくなり、チャージトランスファによるプラスシフトの帯電量を低減させることができる。
【００６０】
図３９は本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を示す断面図である。この静電アクチュエータでは、ガラス基板等の基板２５の上面に、互いに間隔をあけて複数の分離したポスト状もしくは線状をした固定電極３０を設け、固定電極３０を覆うようにして基板２５の上面を絶縁膜３１で覆っている。また、絶縁膜３１の上面には、固定電極３０と対向しないようにして複数のポスト状もしくは線状をした突起３２を設けている。なお、固定電極３０と突起３２が対向して重なり合わなければ、固定電極３０と突起３２のうち一方は格子状ないし網目状に形成されていてもよい。
【００６１】
このような実施形態でも、固定電極３０と可動電極３８の間に生じる電界は、固定電極３０の設けられている箇所だけであるので、電極どうしの接触箇所、すなわち突起３２と絶縁膜３１の当接する箇所には大きな電界は生じない。よって、このような構造によれば、チャージトランスファによる帯電が生じにくくなり、チャージトランスファによるプラスシフトの帯電量を低減させることができる。
【００６２】
また、図３８、図３９の実施形態では、固定電極３０を部分的に形成して突起３２と重なり合わないようにしたが、可動電極３８を部分的に形成して突起３２と重なり合わないようにしてもよい（図示せず）。
【００６３】
（第６の実施形態）
図４０は本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を示す断面図である。この静電アクチュエータにあっては、２枚のダイアフラム状をした可動部５２の外周をフレーム５１によって支持し、両可動部５２の対向面にそれぞれ可動電極３８を設け、少なくとも一方の可動電極３８の表面を絶縁膜３１で覆っている。これは、固定電極のない静電アクチュエータの例を示している。なお、このような実施形態でも、絶縁膜３１に、あるいは絶縁膜３１に対向させるようにして突起を設けてもよい。
【００６４】
（第７の実施形態）
次に、図７〜図９のような構造の静電マイクロリレーを用いた機器について説明する。図４１は本発明にかかる静電マイクロリレー６２を用いた無線装置６１を示す概略図である。この無線装置６１では、静電マイクロリレー６２が、内部回路６３とアンテナ６４の間に接続されており、静電マイクロリレー６２をオン、オフすることによって内部回路６３がアンテナ６４を通じて送信又は受信可能な状態と、送信又は受信ができない状態とに切替えられるようになっている。
【００６５】
図４２は本発明にかかる静電マイクロリレー６２を用いた計測装置６５を示す概略図である。この計測装置６５では、静電マイクロリレー６２が、内部回路６６から測定対象物（図示せず）に至る各信号線６７の途中に接続されており、各静電マイクロリレー６２をオンオフすることにより、測定対象物を切り替えられるようになっている。
【００６６】
図４３は本発明にかかる静電マイクロリレー６２を用いた温度管理装置（温度センサ）６８を示す概略図である。この温度管理装置６８は、電源、制御機器等の温度に対するセーフティ機能を必要とする装置６９に取付けられており、対象とする装置６９の温度を監視して該対象装置６９の回路７０をオン、オフする。例えば、対象装置６９の使用限界が１００℃以上１時間であるとすると、温度管理装置６８は対象装置６９の温度を計測し、装置６９が１００℃以上の温度で１時間動作していることを検知すると、温度管理装置６８内の静電マイクロリレー６２が強制的に回路７０を遮断する。
【００６７】
図４４は本発明にかかる静電マイクロリレーを用いた携帯電話その他の携帯端末７１を示す概略図である。この携帯端末７１では２つの静電マイクロリレー６２ａ、６２ｂが用いられている。一方の静電マイクロリレー６２ａは内部アンテナ７２と外部アンテナ７３を切り替える働きをしており、他方の静電マイクロリレー６２ｂは信号の流れを送信回路側の電力増幅器７４と受信回路側の低ノイズ増幅器７５とに切り替えられるようにしている。
【００６８】
本発明にかかる静電マイクロリレーは、直流電流から高周波信号までを低損失で通過させ、かつ、長時間安定した特性を維持するので、上記のような無線装置６１や計測装置６５などに採用することにより、内部回路に用いられる増幅器などへの負担を抑制しつつ、長時間精度よく信号を伝達可能となる。また、小型で消費電力も少ないので、特にバッテリー駆動の無線装置等や複数使用される計測装置などで効果を発揮する。
【００６９】
なお、低電位駆動型部品の場合には、絶縁膜に帯電した電荷によって印加電圧と駆動電圧との間に解離が発生し、可動電極と固定電極との間に加わる印加電圧と外部から印加されている駆動電圧Ｖdriveとが一致しなくなる。このような現象は、通常は静電アクチュエータの不具合としか認識されていないが、このような現象も、本発明によれば、静電アクチュエータの利点に転化させることが可能になる。その第１の例としては、印加電圧としては３ボルトしか用意できないような回路内に、１０ボルト駆動の静電リレーを実装するような場合がある。チャージコントロール技術によって、帯電によって可動電極と固定電極の間に＋７ボルトの電位を蓄えるように設計すれば、３ボルトの駆動電圧しかなくても１０ボルトの印加電圧を得ることができるので、このような場合でも問題なく静電リレーを動作させることができる。あるいは逆に、１０ボルトの印加電圧で動作するように設計された基板に対して、３ボルト駆動の静電リレーを実装する場合、帯電によって可動電極と固定電極との間に−７ボルトの電位を蓄えるようにチャージ制御を設計すれば、見かけ上は１０ボルト駆動の静電リレーを用いるのと同等である。このような使用の仕方は、静電リレーだけでなく、スイッチや静電容量式センサなどにも利用できる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の静電アクチュエータによれば、その帯電量制御構造により絶縁膜における正負の帯電量を制御することができる。例えば、チャージトランスファ等による正または負の帯電量を小さくすることができ、あるいは、イオン性帯電等による正または負の帯電量を小さくすることができる。
【００７１】
また、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加したときに前記絶縁膜内に発生する正負の帯電量をそれぞれ制御することにより、前記絶縁膜内の帯電量の総和を任意に制御できるので、正の帯電量と負の帯電量を互いに打ち消し合わせることで、絶縁膜に発生する全体の帯電量（総和量）を制御することができる。特に、正の帯電量や負の帯電量を小さくする必要はなく、正の帯電量と負の帯電量を互いに打ち消し合わせることで、絶縁膜に発生する全体の帯電量を小さくすることができ、例えば帯電量をプラスマイナスゼロに制御することができる。
【００７２】
この結果、本発明の静電アクチュエータによれば、プラスシフトやマイナスシフト等の帯電現象を制御することができ、例えば、そのオン電圧やオフ電圧等の動作電圧特性を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の静電アクチュエータの構造を示す分解斜視図である。
【図２】同上の静電アクチュエータの断面図である。
【図３】理想的な静電アクチュエータのＣＶ特性を示す図である。
【図４】可動電極と絶縁膜との間でプラスシフトの帯電が生じる様子を説明する概略図である。
【図５】絶縁膜にマイナスシフトの帯電が生じる様子を説明する概略図である。
【図６】熱的耐久試験の前後におけるＣＶ特性の変化を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による静電アクチュエータの斜視図である。
【図８】図７のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図９】図７の静電アクチュエータの構造を示す分解斜視図である。
【図１０】同上の静電アクチュエータにおいて固定電極の上に形成された絶縁膜の構造を示す概略断面図である。
【図１１】絶縁膜の上に突起を設けることにより、プラスシフトを抑制する原理を説明する概略図である。
【図１２】絶縁膜中に窒化膜を設けることにより、マイナスシフトを抑制する原理を説明する概略図である。
【図１３】本発明による別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図１４】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図１５】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図１６】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図１７】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図１８】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図１９】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２０】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２１】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２２】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２３】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２４】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２５】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２６】（ａ）は円筒状の突起を示す斜視図、（ｂ）は当該突起が絶縁膜と可動電極との間の空間を占める様子を説明する概略図である。
【図２７】（ａ）は円錐状の突起を示す斜視図、（ｂ）は当該突起が絶縁膜と可動電極との間の空間を占める様子を説明する概略図である。
【図２８】（ａ）は表面が球面状をした突起を示す斜視図、（ｂ）は当該突起が絶縁膜と可動電極との間の空間を占める様子を説明する概略図である。
【図２９】（ａ）（ｂ）は、いずれも球面状をした突起の変形例を示す概略断面図である。
【図３０】（ａ）（ｂ）（ｃ）は図２９（ｂ）に示した構造の突起を作製する方法を説明する断面図である。
【図３１】（ａ）（ｂ）（ｃ）は図２９（ｂ）に示した構造の突起と類似した構造の突起を作製する方法を説明する断面図である。
【図３２】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す側面図である。
【図３３】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す側面図である。
【図３４】絶縁膜の上に突起を設けた静電アクチュエータに対して熱的耐久試験を行った前後におけるＣＶ特性の変化を示す図である。
【図３５】図３４の試験を行った静電アクチュエータを説明する図である。
【図３６】本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を表した概略断面図である。
【図３７】本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を表した概略断面図である。
【図３８】本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を表した概略断面図である。
【図３９】本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を表した概略断面図である。
【図４０】本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を表した概略断面図である。
【図４１】本発明にかかる静電マイクロリレーを用いた無線装置を示す概略図である。
【図４２】本発明にかかる静電マイクロリレーを用いた計測装置を示す概略図である。
【図４３】本発明にかかる静電マイクロリレーを用いた温度管理装置を示す概略図である。
【図４４】本発明にかかる静電マイクロリレーを用いた携帯端末を示す概略図である。
【符号の説明】
２１ 静電アクチュエータ
２２ 固定基板
２３ 可動基板
２４ キャップ
２８、２９ 固定接点
３０ 固定電極
３１ 絶縁膜
３２ 突起
３８ 可動電極
３９ 酸化膜
４４ 絶縁層
４５ 可動接点
４７ 窒化膜
４８ 酸化膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電アクチュエータの調整方法に関し、特に静電アクチュエータの動作電圧特性の調整方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来の静電アクチュエータの構造を図１の分解斜視図及び図２の断面図に示す。この静電アクチュエータ１は、特開２０００−１６４１０４に開示されたものであって、主として固定基板２と可動基板３とから構成されている。固定基板２はガラス基板からなり、その上面には固定電極４と一対の固定接点５、６とが設けられ、固定電極４の表面は酸化物の絶縁膜７によって覆われている。また、固定接点５、６はそれぞれ配線８、９を通じて固定基板２上の接続パッド１０、１１に接続されている。
【０００３】
可動基板３はＳｉ基板を加工したものであり、４本の弾性梁１２によって支持された可動電極１３を中央部に有しており、可動電極１３の下面中央部には、絶縁層１４を介して可動接点１５が設けられている。可動基板３の下面周辺部には、アンカー１６が突出しており、アンカー１６によって可動基板３を固定基板２の上面に固定すると、可動電極１３が固定電極４と空間を隔てて対向し、可動接点１５が固定接点５、６間を跨ぐようにして固定接点５、６間と空間を隔てて対向する。
【０００４】
しかして、固定電極４と可動電極１３の間に駆動電圧を印加するとき、駆動電圧がある電圧値に達すると、固定電極４と可動電極１３の間に働く静電吸引力によって可動電極１３が固定電極４側へ吸引され、可動電極１３は弾性梁１２を撓ませることによって絶縁膜７を介して固定電極４に吸着される。可動電極１３が固定電極４に吸着されると、それと前後して、可動接点１５が固定接点５、６間に圧接され、可動接点１５によって固定接点５、６間が電気的に閉じられ、一対の接続パッド１０、１１間が導通する。
【０００５】
従って、理想的な静電アクチュエータでは、ＣＶ特性は図３に示すようになる。ここで、静電アクチュエータのＣＶ特性とは、固定電極４と可動電極１３の間に印加する駆動電圧Ｖdriveと両電極４、１３の間の静電容量Ｃとの関係である。図３において、Ｃ１は可動電極１３と固定電極４との間に駆動電圧が印加されていない状態での静電容量Ｃの値、Ｃ２は可動電極１３が絶縁膜７を介して固定電極４に吸着されている状態での静電容量Ｃの値、オン電圧Ｖonは可動電極１３が固定電極４に吸着される（あるいは、固定電極４から解放される）ときの駆動電圧Ｖdriveの値であって、理想的な静電アクチュエータでは、このＣＶ特性は駆動電圧Ｖdrive＝０ボルトの点に関して対称なプロファイルを有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の静電アクチュエータ、例えば上記のような静電アクチュエータでは、可動電極と固定電極との間に長時間駆動電圧を印加し続けた場合には、固定電極の上の絶縁膜が徐々に帯電することにより、静電アクチュエータにおけるオン電圧やオフ電圧等の動作電圧特性の変動が発生する。かかる動作電圧特性の変動の原因は、帯電のために固定電極と可動電極との間に外部から印加されている駆動電圧Ｖdrive以外の電位差が生じるためであるので、静電アクチュエータに動作電圧特性の変動が生じると、定格のオン電圧を印加しても静電アクチュエータが動作しなかったり、印加電圧をオフにしても静電アクチュエータがオフしないといった問題が発生する。以下においては、この動作電圧特性の変動の原因について詳しく説明する。
【０００７】
帯電の仕方は２つに分類される。これらを、それぞれプラスシフトとマイナスシフトと呼ぶことにする。プラスシフトとは、ＣＶ特性の中心値を駆動電圧のプラス側へシフトさせるような帯電をいう（図６参照）。プラスシフトの原因は、固定電極上の絶縁膜と可動電極との接触する部分でチャージトランスファ（電荷の移動）が起こり、絶縁膜が帯電することにある。ここで、チャージトランスファとは、絶縁体と導体の接触部分に電界と熱が掛かったときに、絶縁体に電荷が蓄積して帯電する現象をいう。
【０００８】
例えば、図４に示すように、可動電極１３が正電位となるようにして可動電極１３と固定電極４との間に駆動電圧Ｖdriveを印加する場合、可動電極１３と絶縁膜７との接触部分では、絶縁膜７表面の電子ｅが可動電極１３へ移動して絶縁膜７にホールｈが残り、絶縁膜７がプラスに帯電する。ただし、可動電極と固定電極の間に印加する駆動電圧の極性を反対にして可動電極が負電位となるようにした場合には、絶縁膜はマイナスに帯電する。
【０００９】
プラスシフトが起きると、プラスシフト帯電により可動電極１３と固定電極４の間の印加電圧Ｖappは帯電量分の電圧ΔＶp（＞０）だけ低下して
Ｖapp＝Ｖdrive−ΔＶp
となり、その結果、見掛けのオン電圧はＶon＋ΔＶp（ただし、Ｖonは帯電がないときのオン電圧の値）に上昇する。よって、プラスシフトの弊害は、可動接点１５により固定接点５、６間を閉じるための最低駆動電圧（見掛けのオン電圧）の上昇となって現れ、プラスシフトが大きい場合には、定格電圧を印加しても静電アクチュエータがオンしなくなる。
【００１０】
また、マイナスシフトとは、ＣＶ特性の中心値を駆動電圧のマイナス側へシフトさせるような帯電をいう（図６参照）。マイナスシフトの原因は、イオン性耐電にある。すなわち、陽極接合等のプロセスによって発生したイオンが酸化物の絶縁膜中に拡散し、絶縁膜中に拡散した正負のイオンが、可動電極と固定電極の間に印加された電界によって互いに反対側へ移動することにある。
【００１１】
例えば、図５に示すように、可動電極１３が正電位となるようにして可動電極１３と固定電極４との間に駆動電圧Ｖdriveを印加する場合、酸化物の絶縁膜７中に拡散した陽イオンｐが固定電極４との界面方向へ移動し、陰イオンｎが絶縁膜７の表面方向へ移動して絶縁膜７の表面がマイナスに帯電する。ただし、可動電極と固定電極の間に印加する駆動電圧の極性を反対にして可動電極が負電位となるようにした場合には、絶縁膜はプラスに帯電する。
【００１２】
このようなマイナスシフトが起きると、イオン性帯電により可動電極１３と固定電極４の間の印加電圧Ｖappは帯電量分の電圧ΔＶn（＞０）だけ増加して
Ｖapp＝Ｖdrive＋ΔＶn
となり、その結果、見掛けのオン電圧はＶon−ΔＶn（ただし、Ｖonは帯電がないときのオン電圧の値）に低下する。よって、マイナスシフトの弊害は、固定接点間を開くための最低駆動電圧（見掛けのオン電圧）の低下となって現れ、駆動電圧Ｖdriveを０ボルトにしても静電アクチュエータがオフしなくなったり、オフしにくくなったりする（即ち、静電アクチュエータがスティックしたり、スティックし易くなったりする）。
【００１３】
このようにして、静電アクチュエータを駆動しているうちに絶縁膜が必ず帯電してしまい、設計通りの性能を確保できなくなる問題があった。図６は静電アクチュエータの熱的耐久試験を行う前後におけるＣＶ特性の変化を示す図である。図６に破線及び菱形のポイントで示したＣＶ特性Ｆ０は、熱的耐久試験を行う前の初期特性を表しており、駆動電圧Ｖdriveに対して対称な特性を示している。図６に実線で示したＣＶ特性Ｆ＋、Ｆ−は、周囲温度８５℃、駆動電圧２４ボルト、試験時間１００時間の条件で熱的耐久試験を行った後のＣＶ特性を示しており、実線及び四角のポイントで表したＦ＋はプラスシフトを生じたもの、実線及び三角のポイントで表したＦ−はマイナスシフトを生じたものを示している。
【００１４】
【発明の開示】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところはプラスシフトやマイナスシフト等の帯電現象を制御することにより電極の閉成時における動作電圧特性のシフトを小さくすることができる静電アクチュエータの調整方法を提供することにある。
【００１５】
本発明にかかる第１の静電アクチュエータの調整方法は、第１の電極と第２の電極を対向させて配設し、第１の電極と第２の電極が対向している領域で、両電極のうち少なくとも一方の電極の対向面に絶縁膜を形成し、両電極のうち少なくとも一方の電極又は前記絶縁膜の対向面に突起を設け、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加したときの静電引力で第１の電極と第２の電極のうち少なくとも一方の電極を駆動させることにより、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して当接するようにした静電アクチュエータにおいて、前記絶縁膜の厚みにより変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向と前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向とが向きであり、且つ、前記絶縁膜の厚みにより変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量が前記絶縁膜の接触面積によって変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量にほぼ等しくなるように、前記絶縁膜の厚みを定めることを特徴としている。
本発明の第１の静電アクチュエータの調整方法によれば、絶縁膜の厚みを調整することにより、例えばイオン性帯電による絶縁膜の正又は負の帯電量を制御することができる。この結果、イオン性帯電による動作電圧特性のシフトとチャージトランスファによる動作電圧特性のシフトとを釣り合わせることができ、静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフトを小さくすることができる。
【００１６】
本発明にかかる第２の静電アクチュエータの調整方法は、第１の電極と第２の電極を対向させて配設し、第１の電極と第２の電極が対向している領域で、両電極のうち少なくとも一方の電極の対向面に絶縁膜を形成し、両電極のうち少なくとも一方の電極又は前記絶縁膜の対向面に突起を設け、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加したときの静電引力で第１の電極と第２の電極のうち少なくとも一方の電極を駆動させることにより、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して当接するようにした静電アクチュエータにおいて、前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向と前記絶縁膜の厚みにより変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向とが向きであり、且つ、前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量が前記絶縁膜の厚みによって変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量にほぼ等しくなるように、第１の電極と第２の電極が対向している領域において第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の接触面積を定めることを特徴としている。
本発明の第２の静電アクチュエータの調整方法によれば、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の接触面積を調整することにより、例えばチャージトランスファによる絶縁膜の正又は負の帯電量を制御することができる。この結果、イオン性帯電による動作電圧特性のシフトとチャージトランスファによる動作電圧特性のシフトとを釣り合わせることができ、静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフトを小さくすることができる。
【００１７】
本発明にかかる第３の静電アクチュエータの調整方法は、第１の電極と第２の電極を対向させて配設し、第１の電極と第２の電極が対向している領域で、両電極のうち少なくとも一方の電極の対向面に絶縁膜を形成し、両電極のうち少なくとも一方の電極又は前記絶縁膜の対向面に突起を設け、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加したときの静電引力で第１の電極と第２の電極のうち少なくとも一方の電極を駆動させることにより、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して当接するようにした静電アクチュエータにおいて、前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向と前記絶縁膜の厚みにより変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向とが逆向きであり、且つ、前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量と前記絶縁膜の厚みによって変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量とがほぼ等しくなるように、第１の電極と第２の電極が対向している領域において第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の接触面積と前記絶縁膜の厚みを定めることを特徴としている。
本発明の第３の静電アクチュエータの調整方法によれば、絶縁膜の厚みを調整することにより、例えばイオン性帯電による絶縁膜の正又は負の帯電量を制御することができる。また、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の接触面積を調整することにより、例えばチャージトランスファによる絶縁膜の正又は負の帯電量を制御することができる。この結果、イオン性帯電による動作電圧特性のシフトとチャージトランスファによる動作電圧特性のシフトとを釣り合わせることができ、全体としての電極閉成時における動作電圧特性のシフトを小さくすることができる。
【００１８】
本発明の第１及び第３の静電アクチュエータの調整方法の実施態様においては、前記絶縁膜は、材料の異なる複数の層によって構成され、前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量と前記絶縁膜の厚みによって変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量とがほぼ等しくなるように、第１の電極又は第２の電極に直接接する層の厚みを定めている。かかる実施態様は、イオン性帯電による帯電量を制御するのに効果的である。
しかも、当該実施態様における絶縁膜は、酸化膜と窒化膜によって構成されていてもよい。絶縁膜を酸化膜と窒化膜によって構成すれば、イオン性帯電による帯電量を抑制する効果を有すると共に、工法の最適化を図り、容易かつ歩留まり良く静電アクチュエータを製作することができる。すなわち、窒化膜はイオンを通過させにくい物性を持ち、しかも窒化膜を設けることによって耐電圧特性を維持したままで酸化膜を薄くすることが可能になるので、イオン性帯電による絶縁膜の帯電量を抑制することができる。特に、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜によって構成することにより容易かつ歩留まりよく静電アクチュエータを製作することができる。
本発明の第１及び第３の静電アクチュエータの調整方法の別な実施態様においては、絶縁膜を単一の材料で形成している。絶縁層を単一の材料で形成すれば、絶縁膜の構造を簡単にして絶縁膜の製作を容易にすることができる。
【００１９】
本発明の第２及び第３の静電アクチュエータの調整方法の実施態様においては、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の少なくとも一方の表面に前記突起を少なくとも１つ形成し、当該突起の接触面積を調整することによって前記絶縁膜の接離する箇所の接触面積を定めている。この実施態様によれば、当該突起（例えば、突起の個数や個々の突起の接触面積）によって前記接離する箇所の全体の接触面積を調整することができる。この突起の表面形状は、球面状に形成するのが望ましい。突起の表面を球面状に形成することにより、他方の電極との接触面積を小さくできてチャージトランスファによる帯電量の抑制に効果的であり、しかも、空間充填率を高くして両電極間の静電引力を強くできる。
【００２７】
なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図７は本発明の一実施形態による静電アクチュエータの斜視図、図８は図７のＸ−Ｘ線に沿った断面図、図９は当該静電アクチュエータの構造を示す分解斜視図である。この静電アクチュエータ２１はマイクロマシニング技術を用いて製作されるマイクロマシンドリレーであって、大きくは固定基板２２と可動基板２３とキャップ２４とに分けられる。
【００２９】
固定基板２２においては、ガラス基板等からなる基板２５上に金属膜によって２本の信号線２６、２７が形成され、各信号線２６、２７の端部が基板２５上面の中央部で小さな隙間を隔てて対向していて、それぞれ固定接点２８、２９となっている。また、両信号線２６、２７の左右両側にはそれぞれ固定電極３０が設けられており、両側の固定電極３０は固定接点２８、２９間の隙間を通って連続している。固定電極３０の表面は絶縁膜３１によって覆われている。さらに、絶縁膜３１の上面には、微少な突起３２が複数個ないし多数突設されている。信号線２６、２７の各端部の左右両側には、それぞれ固定電極３０に導通した固定電極パッド３３が設けられている。さらに、基板２５上面の１つのコーナー部には、可動電極パッド３４が設けられている。なお、突起３２は数１００〜数１０００Å程度の大きさであるが、図９では説明の便宜上、突起３２の径及び突き出し高さをいずれも実際の相対的寸法よりも大きく誇張して描いている。
【００３０】
可動基板２３はＳｉによって形成されていて導電性を有しており、ほぼ中央に形成された可動接点領域３５の両側に弾性支持部３６を介して可動電極３８が形成されており、各可動電極３８には弾性屈曲部４０を介してアンカー４２が設けられている。また、可動接点領域３５の下面には、酸化膜（ＳｉＯ２）や窒化膜（ＳｉＮ）からなる絶縁層４４を介して金属等の導電性材料からなる可動接点４５が設けられている。可動基板２３は、陽極接合等によってアンカー４２を固定基板２２上に固定することによって固定基板２２の上方で弾性的に支持されており、可動電極３８が絶縁膜３１を介して固定電極３０と対向し、また、可動接点４５が両固定接点２８、２９間を跨ぐようにして対向している。可動基板２３は、固定基板２２の上面に固定されることにより、可動電極パッド３４と電気的に接続される。
【００３１】
キャップ２４はガラス等によって形成されており、下面には凹部４６が形成されている。キャップ２４は、固定基板２２の上面に接合された可動基板２３の上から固定基板２２の上に被され、下面外周部を低融点ガラスなどの封止部材を用いて固定基板２２の上面に接合される。この結果、可動基板２３、固定接点２８、２９、固定電極３０等は、キャップ２４の凹部４６内に気密的に封止される。
【００３２】
図１０は、固定電極３０と可動電極３８との間のショートを防ぐための絶縁膜３１の構造を示している。絶縁膜３１は、多層構造を有しており、電極側から酸化膜（ＳｉＯ２）４８、窒化膜（ＳｉＮ）４７、酸化膜（ＳｉＯ２）３９によって構成されている。この絶縁膜３１においては、電極直近の酸化膜４８の膜厚を薄くすることによってイオンによる帯電量を極力少なくしており、帯電しにくい窒化膜４７の厚みを比較的大きくすることによって耐圧特性などを確保しており、酸化膜３９で窒化膜４７を覆うことによって絶縁膜３１を形成する際のプロセス性を確保している。
【００３３】
上記のような静電アクチュエータ２１では、固定電極３０と可動電極３８の間にオン電圧以上の駆動電圧Ｖdriveを印加して静電引力を発生させる。両電極間の静電引力で可動電極３８が引き付けられると、可動基板２３の弾性屈曲部４０が撓んで可動電極３８が固定電極３０側へ移動する。可動電極３８が固定電極３０側へ移動すると、まず可動接点４５が固定接点２８、２９に接触して固定接点２８、２９間を閉じ、２本の信号線２６、２７を電気的に導通させる。可動接点４５が固定接点２８、２９に接触した後も、さらに可動電極３８は固定電極３０に引き付けられ、絶縁膜３１を介して固定電極３０に吸着される。これによって、可動接点４５は弾性支持部３６の弾性力によって固定接点２８、２９に圧接させられる。また、駆動電圧Ｖdriveを除いて静電引力を消失させることにより、可動電極３８を弾性力により元の形状に復帰させて固定電極３０から離間させ、同時に可動接点４５を固定接点２８、２９から離間させて信号線２６、２７間を電気的に遮断する。固定接点２８、２９間を開く際には、弾性支持部３６の弾性力によって接点開離力が強まって固定接点２８、２９間が即断される。
【００３４】
この静電アクチュエータ２１では、絶縁膜３１の表面に微少な突起３２が形成されているので、静電アクチュエータ２１を駆動して可動電極３８が絶縁膜３１を介して固定電極３０に吸着されたとき、可動電極３８と絶縁膜３１は全面で密着することはなく、突起３２以外では接触しない構造となっている。前記のようにプラスシフトは、可動電極３８と絶縁膜３１との間におけるチャージトランスファが原因で起きるものであるから、図１１に示すように、絶縁膜３１に設けられた突起３２の面積でチャージトランスファによる正の帯電量が変化する。よって、突起３２の総面積（突起３２の個数や個々の面積）を調整することにより、可動電極３８と絶縁膜３１との間における帯電量を制御でき、プラスシフトの程度を調整することができる。例えば、突起３２による絶縁膜３１と可動電極３８の接触面積を小さくすることによってチャージトランスファを抑制し、プラスシフトによる帯電を起きにくくすることができる。
【００３５】
また、マイナスシフトは、前記のように酸化膜４８内におけるイオンの偏りが原因となるので、酸化膜４８の厚みを調整することによりマイナスシフトを制御することができる。特に、酸化膜４８の厚みを薄くすることによってマイナスシフトによる帯電量を小さくすることができる。しかし、酸化膜４８（絶縁膜３１）の厚みを薄くすると、可動電極３８と固定電極３０との間の耐圧が低下する。そこで、この静電アクチュエータ２１では、イオンを通しにくい窒化膜４７の層を絶縁膜３１内に設け、図１２に示すように、その分酸化膜４８の厚みを薄くすることによって耐電圧特性を維持したまま陽イオンｐと陰イオンｎの偏りを小さくし、マイナスシフトを抑制している。
【００３６】
よって、この静電アクチュエータ２１によれば、プラスシフトとマイナスシフトを制御し、静電アクチュエータ２１のＣＶ特性を良好にし、プラスシフトやマイナスシフト等による帯電現象を制御することができる。この結果、例えば静電リレーなどの場合には、オン電圧やオフ電圧等の動作電圧特性を制御し、その変動を小さくすることができる。ただし、突起３２によるプラスシフトの制御と酸化膜４８の厚みによるマイナスシフトの制御とは、いずれもプラスシフトによる絶縁膜３１の帯電量やマイナスシフトによる絶縁膜３１の帯電量を小さくすることを意味するものではない。すなわち、プラスシフトによる帯電量やマイナスシフトによる帯電量を小さくしない場合であっても、プラスシフトとマイナスシフトのうち少なくとも一方を制御することにより、プラスシフトによる帯電量とマイナスシフトによる帯電量とが互いに打ち消し合ってプラスマイナスゼロとなるようにすることにより、全体としては絶縁膜３１の帯電量がゼロとなるようにすることもできる。具体的にいうと、プラスシフトは突起３２と可動電極３８との接触面積の総和を主たる因子として決められるので、突起３２の数やその接触面積を調整することによってプラスシフトを制御することができ、また、マイナスシフトは絶縁膜３１の総膜厚によって決まるが、特に、電極に最も近い酸化膜４８の膜厚が主たる因子となるので、酸化膜４８の膜厚を調整することによってマイナスシフトを制御することができる。そこで、突起３２によってプラスシフトを調整し、酸化膜４８の厚みによってマイナスシフトを調整し、プラスシフトによる帯電量とマイナスシフトによる帯電量とが互いに打ち消し合って両者の和がゼロになるようにすればよい。あるいは、プラスシフトによる帯電で生じる電位差とマイナスシフトによる帯電で生じる電位差とが打ち消し合うようにしてもよい。これらの方法を直接実行することが困難な場合には、熱的耐久試験後のＣＶ特性においてプラス側へのシフトとマイナス側へのシフトとが打ち消しあって、ＣＶ特性の中心値のシフトがなくなるようにしてもよい。
【００３７】
なお、上記実施形態では固定電極３０に絶縁膜３１を設けたが、図１３に示すように、可動電極３８に絶縁膜３１を設けてもよい。また、図１４に示すように、固定電極３０と可動電極３８の双方に絶縁膜３１を設けてもよく（例えば、可動電極３８に窒化膜４７を設け、固定電極３０に酸化膜４８を設けたもの）、その場合には、いずれか一方に突起３２を形成しておけばよい。また、図１５に示すように、絶縁膜３１と突起３２を分離し、固定電極３０と可動電極３８のうち一方に絶縁膜３１を設け、他方に突起３２を設けるようにしてもよい。
【００３８】
（第２の実施形態）
ところで、設計によっては、プラスシフトとマイナスシフトのうち一方のシフトしか発生しない静電アクチュエータも想定できる。例えば、当接面積がゼロの静電アクチュエータ（例えば、弾性屈曲部の弾性が高くて可動電極が固定電極や絶縁膜に当接しないものがある。ただし、このような静電アクチュエータでは、静電アクチュエータのサイズが大きくなる、あるいは駆動力（トルク）が低下するため同じ駆動力を得るためには電極サイズを大きくしなければならないといった不具合がある。）では、チャージトランスファによるプラスシフトは発生しない。
【００３９】
このように一方のシフトしか発生しない場合には、それに応じて、絶縁膜３１の突起３２と絶縁膜３１の酸化膜４８のうち、いずれか一方の帯電量制御手段のみを用いてもよい。従って、以下においてはプラスシフトを制御する手段とマイナスシフトを制御する手段に分けて説明することとし、まずマイナスシフトを制御する手段として、絶縁膜３１の種々の形態を説明する。
【００４０】
なお、本発明は絶縁膜を介して固定電極と可動電極とを対向させた静電アクチュエータとして広く用いることができるものであり、図７〜図９に示したような静電アクチュエータに限るものでない。図７〜図９に示した静電アクチュエータは静電マイクロリレー向けの構造を示したものであって、本発明の静電アクチュエータは、一般的には、固定接点や可動接点を必要とするものではない。以下の説明でも図７〜図９等の静電アクチュエータに用いたのと同じ符号を用いて説明するが、適用対象は図７〜図９等のような静電アクチュエータに限るものではない。
【００４１】
図１６に示す静電アクチュエータにおいては、固定電極３０上に下面側から酸化膜４８と窒化膜４７を積層して絶縁膜３１が形成されている。また、図１７に示す絶縁膜３１は、固定電極３０上に下面側から窒化膜４７と酸化膜４８を積層したものである。図１８に示す絶縁膜３１は、固定電極３０上に下面側から窒化膜４７と酸化膜４８と窒化膜４７を積層したものである。また、図１９に示すように固定電極３０上に酸化膜４８と窒化膜４７を任意の順で積層し、その上に窒化膜４７、酸化膜４８以外の第３の絶縁膜４９を積層してもよい。あるいは、図示しないが、窒化膜と酸化膜を含む４層以上で構成された絶縁膜でもよい。
【００４２】
酸化膜と窒化膜の帯電のし易さを比較すると、酸化膜のほうが１００倍以上帯電し易い。しかし、可動電極３８と固定電極３０の接触面積が著しく小さい場合（例えば、図２７のように突起が円錐形状などをしている場合）には、プラスシフト量が小さくなる。トータルの帯電量をゼロにすることを望むときには、マイナスシフト量も小さくする必要があり、その一つの方法としては酸化膜４８を薄くする方法があるが、酸化膜４８は帯電し易いために薄い膜にしてもプラスシフトによる帯電量とマイナスシフトによる帯電量とのバランスが取れないことが起きる。そのような場合には、図１６〜図１９の実施形態のように、帯電しにくい窒化膜４７を電極直近に持ってきて帯電量を制御するようにすればよい。
【００４３】
ここでは、固定電極３０に絶縁膜３１を設けた場合を説明したが、可動電極３８に設けてあってもよいのはもちろんである。また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、窒化膜と酸化膜からなる絶縁膜について説明したが、電極に設ける絶縁膜の材質は窒化膜や酸化膜に限るものではない。絶縁膜３１における帯電量は主に酸化膜４８の膜厚で決まり、窒化膜４７は耐電圧特性など必要な膜厚を確保するために使われているので、これらの機能を持つ材質であれば、窒化膜４７や酸化膜４８の種類は特に問わない。
【００４４】
ただし、酸化膜（ＳｉＯ２）と窒化膜（ＳｉＮ）との組み合わせによれば、マイナスシフトを制御する効果を有すると共に、工法の最適化を図り、容易かつ歩留まり良く静電アクチュエータを製作することができる。すなわち、前者の効果であるマイナスシフトの制御は、電極側直近の酸化膜４８の膜厚制御によって実現されるものであり、絶縁膜４８の膜厚を薄くすることによってイオンを内包しにくいものにできる。後者の高歩留まりの特徴は、加工困難な窒化膜４７の特性を、酸化膜３９で補ったことによる効果である。窒化膜はエッチング時にはガラスやシリコンとの選択比が低いこと、効果的なウエットエッチャントが無いことが加工上の障害となるので、絶縁膜３１の全てを窒化膜４７で構成すると、ガラスからなる基板２５や他のメタル層のオーバーエッチが大きくなったり、不必要なダメージを与えたりして加工精度の劣化を伴う。その解決策の一つは、窒化膜４７がガラスや他のメタルに直接触れない構造にすることであり、その緩衝層として、加工容易でかつ必要な誘電率と絶縁性を有する酸化膜３９を用いて窒化膜４７の表面を覆うことで解決される。
【００４５】
（第３の実施形態）
次に、プラスシフトを制御する手段として、突起３２の種々の形態を説明する。突起３２は、固定電極３０と可動電極３８のうち絶縁膜３１と同じ側に設けられていてもよく、反対側に設けられていてもよい。また、突起３２を絶縁膜３１と同じ側に設ける場合には、絶縁膜３１と一体に形成してもよく、別個に形成してもよい。突起３２は絶縁膜３１の構成材料と同じ材料、例えば酸化物（ＳｉＯ２）や窒化物（ＳｉＮ）によって形成してもよく、絶縁膜３１とは異なる材料、例えば金属によって形成されていてもよい。特に、絶縁膜３１と異なる側、例えば可動電極３８に突起３２を設ける場合には、電極材料によって電極（例えば、可動電極３８）の表面に突起３２を形成してもよい。
【００４６】
具体例で説明すると、図２０に示す静電アクチュエータでは、固定電極３０と可動電極３８のうち一方に絶縁膜３１を設け、絶縁膜３１の上面に絶縁膜３１（の最上層）と同一材料により絶縁膜３１と一体に突起３２を形成したものである。図２１に示すものは、絶縁膜３１の上面に絶縁膜３１（の最上層）と異なる絶縁材料により単独で突起３２を形成したものである。図２２に示すものは、絶縁膜３１の上面に導電性の膜により突起３２を形成したものである。また、図２３に示すものは、固定電極３０と可動電極３８のうち一方に絶縁膜３１を設け、他方の電極の対向面に当該電極と同一材料により当該電極と一体に突起３２を形成したものである。図２４に示すものは、固定電極３０と可動電極３８のうち絶縁膜３１を設けた電極と異なる電極の対向面に絶縁材料によって突起３２を形成したものである。図２５に示すものは、固定電極３０と可動電極３８のうち絶縁膜３１を設けた電極と異なる電極の対向面に、当該電極の材料と異なる導電性材料によって突起３２を形成したものである。なお、図２０〜図２５においては、絶縁膜３１が固定電極側に位置しているが、絶縁膜３１が可動電極側に位置していて固定電極３０と可動電極３８が入れ替わった構成になっていてもよい。
【００４７】
次に、突起３２の形状について検討する。図２６（ａ）は円筒状の突起３２を示し、図２７（ａ）は円錐状の突起３２を示し、図２８（ａ）は表面が球面状をした突起３２を示している。図２６（ａ）に示すような円筒状の突起３２の場合には、図２６（ｂ）に示すように、電極間の空間充填率が高いが、可動電極３８との接触面積が大きくなり、プラスシフトの抑制効果が小さくなる。また図２７（ａ）に示すような円錐状の突起３２の場合には、図２７（ｂ）に示すように、可動電極３８との接触面積は小さくなるが、電極間の空間充填率が低くなる。このように空間充填率が低いと、静電アクチュエータにおける可動電極３８の吸引力が低下する。これに対し、図２８（ａ）に示す表面が球面状をした突起３２の場合には、図２８（ｂ）に示すように、接触面積が頂点の微少領域αであり、かつ、電極間の空間充填率が大きく、理想的な突起３２といえる。また、図２９（ａ）（ｂ）に示すものは、いずれも球面状をした突起３２の変形例である。すなわち、図２９（ａ）は、絶縁膜３１の上に円柱状の下地ポスト３２ａを形成し、その上に未硬化の突起材料を滴下して表面張力で球面状の湾曲部３２ｂを形成し、下地ポスト３２ａと湾曲部３２ｂによって突起３２を形成したものである。また、図２９（ｂ）は絶縁膜３１の上に円柱状の下地ポスト３２ａを形成し、その上から絶縁膜３１の上に突起材料をスパッタ等によって堆積させて湾曲部３２ｂを形成し、下地ポスト３２ａと湾曲部３２ｂによって突起３２を形成したものである。これらの変形例によれば、空間充填率はより大きくなる。
【００４８】
図３０（ａ）（ｂ）（ｃ）は図２９（ｂ）に示した構造の作製方法を説明する断面図である。この作製方法では、第一次スパッタにより固定電極３０の上に酸化膜４８を形成し、その上に窒化膜４７を形成し、さらにその上に酸化膜５０を形成する（図３０（ａ））。ついで、上の酸化膜５０をエッチング等によって加工し、窒化膜４７の上に円柱状をした複数の下地ポスト３２ａを設ける（図３０（ｂ））。この後、第二次スパッタにより、下地ポスト３２ａの上から窒化膜４７の上面に酸化膜を堆積させて湾曲部３２ｂを形成すると、下地ポスト３２ａの箇所では湾曲部３２ｂの表面は球面状に近くなり、図２９（ｂ）のような構造が実現される。
【００４９】
また、図３１（ａ）（ｂ）（ｃ）は図２９（ｂ）に示した構造と類似した構造の作製方法を説明する断面図である。この作製方法では、第一次スパッタにより固定電極３０の上に酸化膜５０を形成する（図３１（ａ））。ついで、酸化膜５０をエッチング等によって加工し、固定電極３０の上に円柱状をした複数の下地ポスト３２ａを設ける（図３１（ｂ））。この後、第二次スパッタにより、下地ポスト３２ａの上から固定電極３０の上面に酸化膜を堆積させて湾曲部３２ｂを形成すると、下地ポスト３２ａの箇所では湾曲部３２ｂの表面が球面状に近くなり、図２９（ｂ）と類似した構造が実現される。図３１（ａ）（ｂ）（ｃ）のようにして下地ポスト３２ａとその上面の酸化膜（湾曲部３２ｂ）によって作製される突起３２も、下地ポスト３２ａ間の酸化膜も、絶縁膜３１の上に形成されるものでは無く、下地ポスト３２ａと酸化膜自体が絶縁膜３１の機能を兼ねている。
【００５０】
図３２、図３３に示すものは、突起３２自体が絶縁膜３１となったものである。すなわち、図３２に示す突起３２は、酸化物等の絶縁材料によって固定電極３０の上に形成されており、突起３２が絶縁膜３１を兼ねている。また、図３３に示す突起３２は、固定電極３０の上に酸化膜４８、窒化膜４７及び酸化膜３９を積層して形成されており、突起３２が絶縁膜３１を兼ねている。
【００５１】
第２及び第３の実施形態では、絶縁膜３１と突起３２を別々に説明したが、絶縁膜３１に窒化膜４７を設けると共に突起３２を形成する場合には、ここで説明したような（説明外のものも含めて）絶縁膜の構造と突起の構造を任意に組み合わせることができる。
【００５２】
また、第２の実施形態で説明したような窒化膜４７を含んだ絶縁膜３１と、第３の実施形態で説明したような突起３２とは、それぞれ単独で使用することもできる。すなわち、プラスシフトを生じないような構造の静電アクチュエータの場合には、酸化膜４８の膜厚を薄くすることによってマイナスシフトを低減させるようにすればよい。また、プラスシフトとマイナスシフトとを生じる場合であっても、酸化膜４８の膜厚を薄くすることによってマイナスシフトによる帯電量だけを制御し、制御されたマイナスシフトによる帯電量で、制御されないプラスシフトの帯電量を打ち消し、プラスマイナスゼロとなるようにすることもできる。なお、このとき帯電しにくい窒化膜４７によって絶縁膜３１のトータルの膜厚を制御することができる。同様に、マイナスシフトを生じないような構造の静電アクチュエータの場合には、突起３２を設けることによってプラスシフトを低減させるようにすればよい。また、プラスシフトとマイナスシフトとを生じる場合であっても、突起３２の接触面積によってプラスシフトによる帯電量だけを制御し、制御されたプラスシフトによる帯電量で、制御されないマイナスシフトの帯電量を打ち消し、プラスマイナスゼロとなるようにすることもできる。
【００５３】
図３４は静電アクチュエータの熱的耐久試験を行う前後におけるＣＶ特性の変化を示す図であって、突起３２の効果を確認したものである。すなわち、図３５に示すように、固定電極の上に酸化膜（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜３１を形成し、絶縁膜３１の上に同じく酸化膜（ＳｉＯ２）からなる突起３２を形成した静電アクチュエータを作製した。ここで、絶縁膜３１の厚みＴを２０００〜２５００Å、突起３２の高さＨを４００〜６００Å、突起３２の直径Ｄを２５〜３５μｍとし、突起３２を１００〜１１０μｍのピッチＰで複数形成した。この計測対象となる静電アクチュエータの固定電極と可動電極の間に定格電圧の駆動電圧を印加した状態で、８５℃の雰囲気下に１０００時間保持した後、標準状態で２時間放置した。このような熱的耐久試験を経た静電アクチュエータに対してＣＶ特性を計測した結果を示したものが図３４のグラフである。
【００５４】
図３４において、破線及び菱形のポイントで表したものは静電アクチュエータのＣＶ初期特性Ｆ０を表している。また、図３４に実線で示したＣＶ特性のうち、実線及び四角のポイントで表したＦ＋はプラスシフトを生じた静電アクチュエータのＣＶ特性を示し、実線及び三角のポイントで表したＦ−はマイナスシフトを生じた静電アクチュエータのＣＶ特性を示している。図３４のＣＶ特性と、図６に示したＣＶ特性とを比較すれば、図３４のＣＶ特性ではＦ＋、Ｆ−のシフト量がきわめて小さくなっており、突起を設けた効果は明らかである。
【００５５】
（第４の実施形態）
図３６、図３７は、本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータのうち、固定電極３０と可動電極３８の部分を表している。この実施形態は、固定電極３０と可動電極３８のうち少なくとも一方の電極を湾曲させることによって絶縁膜３１と電極との接触面積を小さくし、プラスシフトを抑制できるようにしたものである。
【００５６】
まず、図３６について説明する。これは、平坦な固定電極３０の上に窒化膜４７を含む絶縁膜３１を形成し、中央部が固定電極３０側へ向けて突出するように可動電極３８を溝状ないし球面状に湾曲させたものである。この実施形態では、可動電極３８が湾曲しているので、可動電極３８と絶縁膜３１との接触面積が小さくなり、それによってプラスシフトが抑制されており、酸化膜４８の膜厚を薄くすることによってマイナスシフトが抑制されている。同様に、図３７の実施形態では、可動電極３８側へ向けて突出するように固定電極３０を溝状ないし球面状に湾曲させ、この固定電極３０の上に窒化膜４７を含む絶縁膜３１を形成したものである。この実施形態では、固定電極３０及び絶縁膜３１が湾曲しているので、可動電極３８と絶縁膜３１との接触面積が小さくなり、それによってプラスシフトが抑制されており、酸化膜４８の膜厚を薄くすることによってマイナスシフトが抑制されている。
【００５７】
また、図３６の実施形態のように可動電極３８をはじめから湾曲させておくのでなく、例えば両持ち支持された可動電極３８が固定電極側へ吸引されることによって弾性変形し、溝状ないし球面状に湾曲する場合であってもよい。あるいは、図示しないが、可動電極３８が片持ち支持されていて、可動電極３８が固定電極３０側へ吸引されることによって可動電極３８が傾いて斜めになり、可動電極３８が固定電極３０ないし絶縁膜３１に小さな接触面積で接触するようにしてもよい。
【００５８】
（第５の実施形態）
図３８は本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を示す断面図である。この静電アクチュエータでは、ガラス基板等の基板２５の上面に、互いに間隔をあけて複数の分離したポスト状もしくは線状をした固定電極３０を設け、固定電極３０全体を覆うようにして固定電極３０の上面に絶縁膜３１を形成している。また、可動電極３８の下面には、固定電極３０と対向しないようにして複数のポスト状もしくは線状をした突起３２を設けている。なお、固定電極３０と突起３２が対向して重なり合わなければ、固定電極３０と突起３２のうち一方は格子状ないし網目状に形成されていてもよい。
【００５９】
このような実施形態では、固定電極３０と可動電極３８の間に生じる電界は、固定電極３０の設けられている箇所だけであるので、電極どうしの接触箇所、すなわち突起３２と絶縁膜３１の当接する箇所には大きな電界は生じない。よって、このような構造によれば、チャージトランスファによる帯電が生じにくくなり、チャージトランスファによるプラスシフトの帯電量を低減させることができる。
【００６０】
図３９は本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を示す断面図である。この静電アクチュエータでは、ガラス基板等の基板２５の上面に、互いに間隔をあけて複数の分離したポスト状もしくは線状をした固定電極３０を設け、固定電極３０を覆うようにして基板２５の上面を絶縁膜３１で覆っている。また、絶縁膜３１の上面には、固定電極３０と対向しないようにして複数のポスト状もしくは線状をした突起３２を設けている。なお、固定電極３０と突起３２が対向して重なり合わなければ、固定電極３０と突起３２のうち一方は格子状ないし網目状に形成されていてもよい。
【００６１】
このような実施形態でも、固定電極３０と可動電極３８の間に生じる電界は、固定電極３０の設けられている箇所だけであるので、電極どうしの接触箇所、すなわち突起３２と絶縁膜３１の当接する箇所には大きな電界は生じない。よって、このような構造によれば、チャージトランスファによる帯電が生じにくくなり、チャージトランスファによるプラスシフトの帯電量を低減させることができる。
【００６２】
また、図３８、図３９の実施形態では、固定電極３０を部分的に形成して突起３２と重なり合わないようにしたが、可動電極３８を部分的に形成して突起３２と重なり合わないようにしてもよい（図示せず）。
【００６３】
（第６の実施形態）
図４０は本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を示す断面図である。この静電アクチュエータにあっては、２枚のダイアフラム状をした可動部５２の外周をフレーム５１によって支持し、両可動部５２の対向面にそれぞれ可動電極３８を設け、少なくとも一方の可動電極３８の表面を絶縁膜３１で覆っている。これは、固定電極のない静電アクチュエータの例を示している。なお、このような実施形態でも、絶縁膜３１に、あるいは絶縁膜３１に対向させるようにして突起を設けてもよい。
【００６４】
（第７の実施形態）
次に、図７〜図９のような構造の静電マイクロリレーを用いた機器について説明する。図４１は本発明にかかる静電マイクロリレー６２を用いた無線装置６１を示す概略図である。この無線装置６１では、静電マイクロリレー６２が、内部回路６３とアンテナ６４の間に接続されており、静電マイクロリレー６２をオン、オフすることによって内部回路６３がアンテナ６４を通じて送信又は受信可能な状態と、送信又は受信ができない状態とに切替えられるようになっている。
【００６５】
図４２は本発明にかかる静電マイクロリレー６２を用いた計測装置６５を示す概略図である。この計測装置６５では、静電マイクロリレー６２が、内部回路６６から測定対象物（図示せず）に至る各信号線６７の途中に接続されており、各静電マイクロリレー６２をオンオフすることにより、測定対象物を切り替えられるようになっている。
【００６６】
図４３は本発明にかかる静電マイクロリレー６２を用いた温度管理装置（温度センサ）６８を示す概略図である。この温度管理装置６８は、電源、制御機器等の温度に対するセーフティ機能を必要とする装置６９に取付けられており、対象とする装置６９の温度を監視して該対象装置６９の回路７０をオン、オフする。例えば、対象装置６９の使用限界が１００℃以上１時間であるとすると、温度管理装置６８は対象装置６９の温度を計測し、装置６９が１００℃以上の温度で１時間動作していることを検知すると、温度管理装置６８内の静電マイクロリレー６２が強制的に回路７０を遮断する。
【００６７】
図４４は本発明にかかる静電マイクロリレーを用いた携帯電話その他の携帯端末７１を示す概略図である。この携帯端末７１では２つの静電マイクロリレー６２ａ、６２ｂが用いられている。一方の静電マイクロリレー６２ａは内部アンテナ７２と外部アンテナ７３を切り替える働きをしており、他方の静電マイクロリレー６２ｂは信号の流れを送信回路側の電力増幅器７４と受信回路側の低ノイズ増幅器７５とに切り替えられるようにしている。
【００６８】
本発明にかかる静電マイクロリレーは、直流電流から高周波信号までを低損失で通過させ、かつ、長時間安定した特性を維持するので、上記のような無線装置６１や計測装置６５などに採用することにより、内部回路に用いられる増幅器などへの負担を抑制しつつ、長時間精度よく信号を伝達可能となる。また、小型で消費電力も少ないので、特にバッテリー駆動の無線装置等や複数使用される計測装置などで効果を発揮する。
【００６９】
なお、低電位駆動型部品の場合には、絶縁膜に帯電した電荷によって印加電圧と駆動電圧との間に解離が発生し、可動電極と固定電極との間に加わる印加電圧と外部から印加されている駆動電圧Ｖdriveとが一致しなくなる。このような現象は、通常は静電アクチュエータの不具合としか認識されていないが、このような現象も、本発明によれば、静電アクチュエータの利点に転化させることが可能になる。その第１の例としては、印加電圧としては３ボルトしか用意できないような回路内に、１０ボルト駆動の静電リレーを実装するような場合がある。チャージコントロール技術によって、帯電によって可動電極と固定電極の間に＋７ボルトの電位を蓄えるように設計すれば、３ボルトの駆動電圧しかなくても１０ボルトの印加電圧を得ることができるので、このような場合でも問題なく静電リレーを動作させることができる。あるいは逆に、１０ボルトの印加電圧で動作するように設計された基板に対して、３ボルト駆動の静電リレーを実装する場合、帯電によって可動電極と固定電極との間に−７ボルトの電位を蓄えるようにチャージ制御を設計すれば、見かけ上は１０ボルト駆動の静電リレーを用いるのと同等である。このような使用の仕方は、静電リレーだけでなく、スイッチや静電容量式センサなどにも利用できる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の静電アクチュエータによれば、その帯電量制御構造により絶縁膜における正負の帯電量を制御することができる。例えば、チャージトランスファ等による正または負の帯電量を小さくすることができ、あるいは、イオン性帯電等による正または負の帯電量を小さくすることができる。
【００７１】
また、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加したときに前記絶縁膜内に発生する正負の帯電量をそれぞれ制御することにより、前記絶縁膜内の帯電量の総和を任意に制御できるので、正の帯電量と負の帯電量を互いに打ち消し合わせることで、絶縁膜に発生する全体の帯電量（総和量）を制御することができる。特に、正の帯電量や負の帯電量を小さくする必要はなく、正の帯電量と負の帯電量を互いに打ち消し合わせることで、絶縁膜に発生する全体の帯電量を小さくすることができ、例えば帯電量をプラスマイナスゼロに制御することができる。
【００７２】
この結果、本発明の静電アクチュエータによれば、プラスシフトやマイナスシフト等の帯電現象を制御することができ、例えば、そのオン電圧やオフ電圧等の動作電圧特性を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の静電アクチュエータの構造を示す分解斜視図である。
【図２】同上の静電アクチュエータの断面図である。
【図３】理想的な静電アクチュエータのＣＶ特性を示す図である。
【図４】可動電極と絶縁膜との間でプラスシフトの帯電が生じる様子を説明する概略図である。
【図５】絶縁膜にマイナスシフトの帯電が生じる様子を説明する概略図である。
【図６】熱的耐久試験の前後におけるＣＶ特性の変化を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による静電アクチュエータの斜視図である。
【図８】図７のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図９】図７の静電アクチュエータの構造を示す分解斜視図である。
【図１０】同上の静電アクチュエータにおいて固定電極の上に形成された絶縁膜の構造を示す概略断面図である。
【図１１】絶縁膜の上に突起を設けることにより、プラスシフトを抑制する原理を説明する概略図である。
【図１２】絶縁膜中に窒化膜を設けることにより、マイナスシフトを抑制する原理を説明する概略図である。
【図１３】本発明による別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図１４】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図１５】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図１６】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図１７】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図１８】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図１９】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２０】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２１】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２２】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２３】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２４】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２５】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す概略断面図である。
【図２６】（ａ）は円筒状の突起を示す斜視図、（ｂ）は当該突起が絶縁膜と可動電極との間の空間を占める様子を説明する概略図である。
【図２７】（ａ）は円錐状の突起を示す斜視図、（ｂ）は当該突起が絶縁膜と可動電極との間の空間を占める様子を説明する概略図である。
【図２８】（ａ）は表面が球面状をした突起を示す斜視図、（ｂ）は当該突起が絶縁膜と可動電極との間の空間を占める様子を説明する概略図である。
【図２９】（ａ）（ｂ）は、いずれも球面状をした突起の変形例を示す概略断面図である。
【図３０】（ａ）（ｂ）（ｃ）は図２９（ｂ）に示した構造の突起を作製する方法を説明する断面図である。
【図３１】（ａ）（ｂ）（ｃ）は図２９（ｂ）に示した構造の突起と類似した構造の突起を作製する方法を説明する断面図である。
【図３２】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す側面図である。
【図３３】本発明によるさらに別な構造の静電アクチュエータを示す側面図である。
【図３４】絶縁膜の上に突起を設けた静電アクチュエータに対して熱的耐久試験を行った前後におけるＣＶ特性の変化を示す図である。
【図３５】図３４の試験を行った静電アクチュエータを説明する図である。
【図３６】本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を表した概略断面図である。
【図３７】本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を表した概略断面図である。
【図３８】本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を表した概略断面図である。
【図３９】本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を表した概略断面図である。
【図４０】本発明のさらに別な実施形態による静電アクチュエータの構造を表した概略断面図である。
【図４１】本発明にかかる静電マイクロリレーを用いた無線装置を示す概略図である。
【図４２】本発明にかかる静電マイクロリレーを用いた計測装置を示す概略図である。
【図４３】本発明にかかる静電マイクロリレーを用いた温度管理装置を示す概略図である。
【図４４】本発明にかかる静電マイクロリレーを用いた携帯端末を示す概略図である。
【符号の説明】
２１ 静電アクチュエータ
２２ 固定基板
２３ 可動基板
２４ キャップ
２８、２９ 固定接点
３０ 固定電極
３１ 絶縁膜
３２ 突起
３８ 可動電極
３９ 酸化膜
４４ 絶縁層
４５ 可動接点
４７ 窒化膜
４８ 酸化膜
Claims (8)
- 第１の電極と第２の電極を対向させて配設し、第１の電極と第２の電極が対向している領域で、両電極のうち少なくとも一方の電極の対向面に絶縁膜を形成し、両電極のうち少なくとも一方の電極又は前記絶縁膜の対向面に突起を設け、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加したときの静電引力で第１の電極と第２の電極のうち少なくとも一方の電極を駆動させることにより、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して当接するようにした静電アクチュエータにおいて、
前記絶縁膜の厚みにより変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向と前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向とが逆向きであり、且つ、前記絶縁膜の厚みにより変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量が前記絶縁膜の接触面積によって変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量にほぼ等しくなるように、前記絶縁膜の厚みを定めることを特徴とする静電アクチュエータの調整方法。 - 第１の電極と第２の電極を対向させて配設し、第１の電極と第２の電極が対向している領域で、両電極のうち少なくとも一方の電極の対向面に絶縁膜を形成し、両電極のうち少なくとも一方の電極又は前記絶縁膜の対向面に突起を設け、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加したときの静電引力で第１の電極と第２の電極のうち少なくとも一方の電極を駆動させることにより、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して当接するようにした静電アクチュエータにおいて、
前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向と前記絶縁膜の厚みにより変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向とが逆向きであり、且つ、前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量が前記絶縁膜の厚みによって変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量にほぼ等しくなるように、第１の電極と第２の電極が対向している領域において第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の接触面積を定めることを特徴とする静電アクチュエータの調整方法。 - 第１の電極と第２の電極を対向させて配設し、第１の電極と第２の電極が対向している領域で、両電極のうち少なくとも一方の電極の対向面に絶縁膜を形成し、両電極のうち少なくとも一方の電極又は前記絶縁膜の対向面に突起を設け、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加したときの静電引力で第１の電極と第２の電極のうち少なくとも一方の電極を駆動させることにより、第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して当接するようにした静電アクチュエータにおいて、
前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向と前記絶縁膜の厚みにより変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト方向とが逆向きであり、且つ、前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量と前記絶縁膜の厚みによって変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量とがほぼ等しくなるように、第１の電極と第２の電極が対向している領域において第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の接触面積と前記絶縁膜の厚みを定めることを特徴とする静電アクチュエータの調整方法。 - 前記絶縁膜は、材料の異なる複数の層によって構成され、
前記絶縁膜の接触面積により変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量と前記絶縁膜の厚みによって変化する静電アクチュエータの電極間閉成時における動作電圧特性のシフト量とがほぼ等しくなるように、第１の電極又は第２の電極に直接接する層の厚みを定めることを特徴とする、請求項１又は３に記載の静電アクチュエータの調整方法。 - 前記絶縁膜は、酸化膜と窒化膜によって構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の静電アクチュエータの調整方法。
- 前記絶縁膜は、単一の材料で形成されていることを特徴とする、請求項１又は３に記載の静電アクチュエータの調整方法。
- 第１の電極と第２の電極が前記絶縁膜を介して接離する箇所の少なくとも一方の表面に前記突起を少なくとも１つ形成し、当該突起の接触面積を調整することによって前記絶縁膜の接離する箇所の接触面積を定めることを特徴とする、請求項２又は３に記載の静電アクチュエータの調整方法。
- 前記突起の表面を球面状に形成したことを特徴とする、請求項７に記載の静電アクチュエータの調整方法。
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