JPH0458430A - 静電リレーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は静電リレーおよびその製造方法に関し、詳し
くは、接点の開閉動作を行わせる駆動機構として、電圧
を印加したときに発生する静電力を利用する静電リレー
と、このような静電リレーを製造する方法に関するもの
である。

〔従来の技術〕

静電リレーは、従来のリレーのような電磁力を発生させ
るための電値コイルが不要であり、リレー全体の構造を
極めて小型化できるという特徴を有しており、素子サイ
ズとして１０ｍ口以下の小型リレーも製造可能になると
して、研究開発が進められている。

第７図〜第９図に、従来の静電リレーの構造を示してい
る。なお、第７図において、電極部分にはクロスハンチ
ングを施して、イｔの部分との区別を行い易くしている
。静電リレーは、可動電極ブロックＡおよび固定電極ブ
ロックＢと、この両ブロックＡ、Ｂを間隔をあけて対向
させた状態で一体接合しているスペーサＣとから構成さ
れている。可動電極ブロックＡはシリコン基板からなり
、このシリコン基板を選択エンチング等の微細加工手段
で加工して、必要な構造部分を形成している可動電極ブ
ロックＡは、外周を構成する枠部１０の中央に、細いＴ
字状の連結部１２を経て枠部１０につながった薄い板状
の可動板２０を備えている。連結部１２が弾力変形する
ことによって、可動板２０の他端側が固定電極ブロック
Ｂ側に向かって旋回移動する。可動板２０の固定電極ブ
ロックＢと対向する面には、可動板２０の長手辺に沿っ
て突出する突出片２２から可動板２０の外周辺に沿って
コ字形の接点電極３０が形成されている。枠部１０の上
面には、可動板２０に駆動電圧を印加するための駆動電
極１４が設けられている固定電極ブロックＢは、平板状
のガラス材料からなり、その表面のうち、前記可動側接
点電極３０のコ字形の両端と対向する位置には接点電極
４０．４０が形成され、前記可動板２０と対向する位置
には固定側の駆動電極５０が形成されている上記のよう
な静電リレーの動作を説明すると、可動電極ブロックＡ
の駆動電極１４と固定電極ブロックＢの駆動電極５０の
間に電圧を印加すると、両者の間に静電引力が発生し、
可動板２０が固定側駆動電極５０に引きつけられる。そ
の結果、可動板２０の接点電極３０の両端が固定側接点
電極４０．４０に接触して接点回路が閉成されることに
なる。すなわち、駆動電極１４．５０間に印加する電圧
を入力として、接点電極４０．４０につながる出力回路
の開閉を制御できるようになっている。

上記のような構造および動作から判るように、静電リレ
ーは、写真製版技術や微細加工技術等の半導体素子の製
造技術を利用して製造することができるので、極めて小
型のものが製造できるとともに大量生産にも適したもの
となり、作動時における発熱も小さい等の利点を有して
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記した従来構造の静電リレーでは、接点圧
が充分に確保できず、接点の開閉動作が不安定であると
いう問題があった。

これは、前記したように小型化に通した構造を備えた静
電リレーであるが、静電リレーでは可動側接点電極３０
の駆動力を静電力により生じさせているので、従来の電
磁コイル等による電磁力に比べてもともと接点圧が小さ
くなるとともに、静電リレー全体が小型化するにつれて
、前記接点電極３０．４０も小さくなるため、画電極３
０，４０の接触時における接点圧が余計に小さくなる結
果、充分な出力が得られなくなってしまうのである。

また、第９図に示すように、駆動電極１４．５０間の印
加電圧により発生する静電力で、可動板２０の一部に設
けられた突出片２２が固定電極ブロンクＢ側に移動して
、可動側接点電極３０と固定側接点電極４０が接触する
のであるが、突出片２２は傾斜状態で固定電極ブロック
Ｂの表面に当接するため、突出片２２のシリコンからな
る先端部分が可動側接点電極３０よりも先に固定側接点
電極４０に接触してしまって、可動側接点電極３０と固
定側接点電極４０とが充分に接触できなくなる。可動板
２０は、シリコンからなる本体部分の表面に、二酸化シ
リコン等からなる絶縁層１６を介して可動側接点電極３
０を形成しており、接点電極３０と入力電圧が加わる可
動板２０の本体部分との絶縁を確実にしているのである
が、突出片２２の先端角部が固定側接点電極４０に接触
すると、可動板２００本体部分を構成するシリコンが固
定側接点電極４０に接触したり、極めて近接したりする
ことによって絶縁を保てなくなる可能性もある。可動板
２０と固定側駆動電極５０の間には静電力を発生させる
ための印加電圧として、かなり高い電圧（例えば１００
Ｖ）が加わるので、可動板２０のシリコン部分と固定側
接点電極４０とが近づき過ぎると、絶縁が保てなくなる
のである。

そこで、この発明の課題は、上記のような静電リレーに
おいて、可動側接点電極と固定側接点電極が確実に接触
できて、小型化しても充分な接点圧が得られ、可動板と
固定側接点電極との絶縁も充分に確保できる静電リレー
を提供することにある。また、上記のような静電リレー
を製造する方法を提供することある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決する、この発明にかかる静電リレーは、
可動電極ブロックと固定電極ブロックが間隔をあけて対
向設置されており、可動電極ブロックには、一端が移動
可能に支持された可動板と可動板の固定電極ブロック側
表面に設けられた接点電極と可動板に電圧を印加するた
めの駆動電極とを備え、固定電極ブロックには、前記可
動板と対向する位置に設けられた駆動電極と、前記可動
側の接点電極と対向する位置に設けられた接点電極とを
備えてなる静電リレーにおいて、対向する接点電極の一
方に凸部を設けている。

可動電極ブロフクおよび固定電極ブロックの材料や形状
その他の構造は、基本的には既知の静電リレー等と同様
のものでよい。可動電極ブロックおよび固定電極ブロッ
クは、シリコン基板等の半導体基板からなるものが、従
来の半導体素子製造技術を利用して製造加工を行え好都
合である。可動電極ブロフクは、可動板等の構造を加工
し易いようにシリコン基板を用いるのが好ましいが、固
定電極ブロックは、凸部を設けない場合には、ガラス板
等の絶縁材料を用いれば、シリコン基板のように表面に
絶縁層を形成する必要がない。

可動板の形状や支持構造としては、例えば、矩形状の可
動板の一端に細い梁状の連結部を介して可動電極ブロッ
クの本体部分と一体形成しておくのが、選択エツチング
等による微細加工で作製することができ好ましいが、可
動板の一端が固定電極ブロック側に向かって移動可能に
なるように、可動板の一部が可動電極ブロックの本体部
分に支持されていれば、可動板および連結部の具体的な
構造は自由に変更できる。

可動側および固定側の接点電極は、可動電極ブロックお
よび固定電極ブロックの対向面にそれぞれ形成される。

両接点電極のうち、一方の接点電極は従来の静電リレー
の場合と同様に平坦に形成しておくが、他方の接点電極
には凸部を設けておく。凸部の形状は、直方体状、円柱
状その他の任意の立体形状で実施できる。凸部の寸法は
、両接点電極の寸法を増大させない程度で、凸部の出来
るだけ広い範囲が相手側の接点電極と接触でき、また、
可動板の本体部分と固定側接点電極との絶縁距離を充分
に取れるように設定する。凸部は、可動側接点電極およ
び固定側接点電極の何れの側に形成しておいてもよい。

静電リレーの製造方法は、半導体素子その他の電子素子
の製造技術において利用されている、薄膜形成技術や写
真製版技術あるいは選択エツチング等の微細加工技術を
組み合わせればよいが、凸部の形成方法として、っぎの
ような方法が採用できる。

まず、凸部を設ける接点電極側の電極ブロックをシリコ
ン基板で形成しておく。このシリコン基板の表面に、エ
ツチングレジストをパターン形成した後、シリコンのみ
をエンチングできるエンチング液で処理して、凸部を形
成する個所以外のシリコン基板表面を掘り込んで、凸部
のみを残すようにする等、いわゆる選択エツチングによ
り凸部を形成する。シリコン基板の表面に形成された凸
部の上に、二酸化シリコン等からなる絶縁層を形成した
後、通常の電極形成手段で接点電極を形成するのである
。

〔作　　用〕

可動側接点電極または固定側接点電極の一方に凸部を設
けておくと、この凸部と他方の接点電極の平坦面とが確
実に接触することになる。すなわち、可動板の移動に伴
って、両方の接点電極が傾斜状態で接近したときに、可
動板のうち接点電極が形成されていない先端部分が相手
側の接点電極に接触するよりも先に、凸部が相手側の平
坦な接点電極に接触することになるので、接点電極同士
が確実に接触できることになる。凸部が相手側の平坦な
接点電極に接触した状態では、両方の接点電極の表面同
士はまだ充分な距離を保っているので、可動板の半導体
部分等が相手側の接点電極に接触して絶縁が維持できな
くなるようなことが防げ、静電リレーにおける入力側と
出力側の絶縁隔離を良好にすることができる。

凸部の形成方法として、シリコン基板からなる電極ブロ
ックに選択エツチングで凸部を形成した後、絶縁層や接
点電極を形成すれば、既知の半導体素子製造技術を利用
して、容易かつ正確に凸部を形成することができる。

〔実　施　例〕

ついで、この発明の実施例を図面を参照しながら以下に
詳しく説明する。なお、前記した従来例と共通する部分
には同じ符号を付けている。

第１図および第２図は静電リレーの全体構造を表してお
り、可動電極ブロックＡと固定電極ブロックＢが間にス
ペーサＣを挟んで一体接合されており、基本的な構造は
従来の静電リレーと同様である。なお、第１図において
、電極部分にはクロスハンチングを施して、他の部分と
区別し易くしている。

可動電極ブロフクＡの材料には、（１００）シリコン基
板１を用いる。このシリコン基板１の両面に、熱酸化法
あるいはＣＶＤ法、スパッタ法等の手段を用いて、５０
００人程度０膜厚を有する二酸化シリコンからなる絶縁
層１６を形成した後、フォトリソ工程およびエツチング
工程等からなる微細加工技術を用いて、所定の形状部分
が作製されている。

可動電極ブロックＡには、矩形状の外周を構成する分厚
い枠部１０と、枠部１０の内側に配置された薄い矩形状
の可動板２０とを備えている。可動板２０は、シリコン
基板１を可動電極ブロックＡの上面側から掘り込んで、
薄い板状に形成しており、可動板２０の下面側には前記
絶縁層１６が形成されたままになっている。矩形状をな
す可動板２０の一方の短辺が、Ｔ字状をなす連結部１２
を介して枠部１０につながっている。可動板２０の両長
辺に沿って、連結部１２と反対側に突出する細片状の突
出片２２が設けられている。

上記のような可動板２０の作製方法を説明すると、シリ
コン基板１の上面側の絶縁層１６のうち、枠部１０の内
側部分を、フォトリソ工程およびエツチング工程で除去
してシリコン基板１を露出させた後、選択性のあるエツ
チング液、すなわち二酸化シリコンからなる絶縁層１６
はエンチングされず、シリコン基板１のみが良好にエツ
チングされるようなエツチング液として、例えばＫＯＨ
水溶液を用いて、シリコン基板１が６Ｏｎ程度の厚みに
なるまでエツチングして掘り込む。ついで、シリコン基
板１の反対面側から、フォトリソ工程およびエツチング
工程を行って、突出片２２や連結部１２等からなる可動
板２０形成個所のみに絶縁層１６が残るようにシリコン
基板１の表面を露出させた後、前記同様の選択エツチン
グにより、シリコン基板１を貫通するまで掘り込む。こ
のとき、シリコン基板１は、パターン形成された絶縁［
１６側とその反対面側の両方からエツチングされるので
、前記工程で６Ｏｎに形成されたシリコン基板１を片側
３０ｔｒｍづつ掘り込むようにすれば、可動板２０およ
び連結部１２以外の部分はＨ通して、約３０ｍ程度の厚
みを有する可動板２０および連結部１２が残ることにな
る。

可動電極ブロフクＡの外周で枠部１０の短辺中央には駆
動電極１４が設けられている。駆動電極１４の形成個所
では、絶縁層１６の一部を除去してあり、駆動電極１４
に加えられた電圧が直接シリコン基板１に印加されるよ
うになっている。駆動電極１４の作製は、シリコン基板
１の表面全体に、スパッタ法や蘂着法でクロム膜および
金膜を順次形成した後、フォトリソ工程につづくウェッ
トエツチングあるいはドライエツチング工程によりパタ
ーン形成している。

可動板２０の下面側には、第４図に詳しく示すように、
突出片２２の表面から可動板２０の長辺および連結部１
２側の短辺につづくコ字形の接点電極３０が形成されて
いる。接点電極３０の形成方法は、前記駆動電極１４と
同様に行われ、クロム膜の上に金膜が形成されている。

接点電極３０は絶縁層１６０表面に形成されてあって、
シリコン基板１とは絶縁されている。

固定電極ブロックＢは、（１００）シリコン基板４から
なり、このシリコン基板４の表面に対し、第５図に詳し
く示すように、所定の個所に凸部４６を形成した後、そ
の上に、前記同様の手段で、二酸化シリコンからなる５
０００人程度０絶縁Ｎ４２を形成している。凸部４６は
、可動電極ブロックＡの突出片２２裏面に設けられた接
点電極３０の先端よりも少し内側の部分が接触する位置
に設けられる。凸部４６の作製方法を説明すると、シリ
コン基板４の表面のうち、凸部４６の形成個所を除いて
、全面に二酸化シリコン膜からなるエツチングマスクを
形成した後、前記同様の選択エツチングで、シリコン基
板４を深さ５〜１０ｍ程度掘り込むと、凸部４６部分の
みが突出して残ることになる。この選択エツチングによ
る凸部４６の形成方法では、凸部４６を正確な形状で、
かつ、角部を鋭角に加工することができ、後述する接点
電極の凸部と平坦な接点電極との接触を良好にすること
ができる。

エツチングマスクとして用いた二酸化シリコン膜を除去
した後、再び二酸化シリコン膜を形成すれば、シリコン
基板４および凸部４６の表面が絶縁層４２で覆われる。

固定電極ブロックＢの表面に形成された絶縁層４２の上
には、第３図に詳しく示すように、一対の接点電極４０
．４０と駆動電極５０が、前記可動電極ブロックＡの接
点電極３０と同様の構造および作製手段で形成されてい
る。接点電極４０゜４０は、シリ・コン基板４の凸部４
６形成個所から固定電極ブロックＢの端辺につづく略り
字形に形成されており、接点電極４０．４０の上面に前
記凸部４６に対応する凸部６０が形成される。駆動電極
５０は、可動板２０に対向する位置で可動板２０の外形
よりも少し小さな矩形部分とこの矩形部分の一端から固
定電極ブロックＢの端辺につづく細幅の延長部分とで構
成されている。駆動電極５０のうち、細幅の延長部分の
端部を除く全面を、ＣＶＤ法やスパッタ法等で形成され
た二酸化シリコン膜からなる膜厚５０００人程度０絶縁
層５２で覆っている（第１図では、絶縁層５２をハツチ
ングで表している）。この絶縁Ｊｉｉ５２は駆動電極５
０と可動板２０等との絶縁を図るために有効である。

このような構造を備えた可動電極ブロックＡと固定電極
ブロックＢが、厚さＩｏｎ程度のスペーサＣを介して接
合されている。スペーサＣは、絶縁基板材料で構成され
ており、接着等の手段で可動電極ブロックＡと固定電極
ブロックＢを接合−体化させる。スペーサＣの厚みによ
って、画電極ブロックＡ、Ｂの間隔が設定される。

可動電極ブロックＡと固定電極ブロックＢおよびスペー
サＣを組み立てた状態では、第１図に示すように、可動
電極ブロックＡの可動板２０と固定電極ブロックＢの駆
動電極５０とが、間隔をあけて対向しており、可動板２
０につながる可動側駆動電極１４と固定側駆動電極５０
の間に電圧を印加することによって、可動板２０と固定
側駆動電極５０の間に静電引力が作用し、連結部１２を
支点にして可動板２０の他端側が下方に旋回移動する。

可動板２０の一端が下方に旋回移動すると、第６図に示
すように、可動板２０の突出片２２下面に設けられた接
点電極３０が固定側接点電極４０の凸部６０に接触する
。このとき、平坦な可動側接点電極３０が固定側接点電
極４０に設けられた凸部６０に当接することによって、
可動側接点電極３０と固定側接点電極４０との接触が確
実に行われる。可動側接点電極３０と凸部６０が当接し
た状態では、可動板２０の絶縁層１６およびシリコン基
板１と固定側接点電極４０の表面との間には充分な間隔
がおいており、互いに接触することはない。一対の固定
側接点電極４０．４０が可動側接点電極３０で電気的に
接続されると、固定側接点電極４０．４０間が閉成され
ることになる。

可動側駆動電極１４と固定側駆動電極５０間の印加電圧
を無くせば、可動板２０は元の状態に戻り、固定側接点
電極４０．４０は開成されることになる。

このようにして、駆動電極１４．５０間の印加電圧を入
力として、固定側接点電極４０．４０間の出力を開閉制
御することができ、いわゆるリレー動作を果たすことに
なる。

上記実施例では、固定側接点電極４０に凸部６０を設け
ていたが、可動側接点電極３０側に凸部６０を設けてお
いても、同様の機能を果たすことができる。凸部６０を
形成する側の電極ブロックは、凸部６０の加工を容易に
するため、シリコン基板４．１等の微細加工技術が通用
できる基板材料を用いるのが好ましい。可動側接点電極
３０に凸部６０を形成して、固定側接点電極４０には凸
部６０を形成しない場合には、固定電極ブロックＢの材
料にガラス板等を用いることもできる。

〔発明の効果〕

以上に述べた、この発明にかかる静電リレーによれば、
互いに接離して接点の開閉動作を行う接点電極のうち、
何れか一方に凸部を形成しでいるので、接点電極に設け
られた凸部と他方の平坦な接点電極とが当接して、接点
電極同士の接触を確実に果たし、充分な接点圧を得るこ
とができる。

また、可動板の接点電極以外の部分と固定側接点電極と
が接近し過ぎたり接触したりすることがないので、入力
電圧が印加される可動板の本体部分と出力回路部分との
絶縁が確実に保てる。以上の結果、リレー動作が確実か
つ安定して行われる信頼性の高い静電リレーを提供する
ことが可能になる。

上記のような静電リレーを製造する方法として、前記凸
部を形成する側のブロフクにシリコン基板を用い、選択
エツチングにより凸部を形成すれば、微細な凸部形状を
迅速かつ正確に形成することが可能になり、前記したよ
うな凸部による作用効果を良好に発揮できるようになる
と同時に、静電リレーの小型化、製造の能率向上を図る
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例にかかる静電リレーの平面図
、第２図は断面図、第３図は固定電極ブロックの平面図
、第４図は可動電極ブロックの底面図、第５図は接点電
極部分の開成時における拡大断面図、第６図は接点電極
部分の閉成時における拡大断面図、第７図は従来例の平
面図、第８図は断面図、第９図は接点電極部分の拡大断
面図である。 Ａ・・・可動電極ブロック　Ｂ・・・固定電極ブロック
Ｃ・・・スペーサ　２０・・・可動板　１２・・・連結
部　１４・・・可動側駆動電極　２２・・・突出片　３
０・・・可動側接点電極　４０・・・固定側接点電極　
５０・・・固定側駆動電極　６０・・・凸部 代理人　弁理士　　松　本　武　彦 第９■

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　可動電極ブロックと固定電極ブロックが間隔をあけ
   て対向設置されており、可動電極ブロックには、一端が
   移動可能に支持された可動板と可動板の固定電極ブロッ
   ク側表面に設けられた接点電極と可動板に電圧を印加す
   るための駆動電極とを備え、固定電極ブロックには、前
   記可動板と対向する位置に設けられた駆動電極と、前記
   可動側の接点電極と対向する位置に設けられた接点電極
   とを備えてなる静電リレーにおいて、対向する接点電極
   の一方に凸部を設けていることを特徴とする静電リレー
   。 ２　請求項１記載の静電リレーを製造する方法であって
   、凸部を設ける接点電極側の電極ブロックがシリコン基
   板からなり、シリコン基板の表面に選択エッチングによ
   り凸部を形成した後、凸部の上に絶縁層を介して接点電
   極を形成することを特徴とする静電リレーの製造方法。