JPH052972A

JPH052972A - 静電リレー

Info

Publication number: JPH052972A
Application number: JP15066891A
Authority: JP
Inventors: Koichi Aizawa; 浩一相澤; Atsushi Sakai; 淳阪井; Keiji Kakinote; 啓治柿手; Hiromi Nishimura; 広海西村; Fumihiro Kasano; 文宏笠野; Takayoshi Awai; 崇善粟井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1991-06-21
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1993-01-08

Abstract

(57)【要約】【目的】外部の電磁界に影響され難く、かつ、熱衝撃
に強く、さらに、外付回路の付加に伴う使い難さが軽減
された静電リレーを提供する。【構成】可動側基体Ａの裏側に設けられた可動接点２
と固定側基体Ｂの表側に設けられた固定接点３が対面す
るようにして前記可動側基体Ａと固定側基体Ｂとが配置
され、前記可動側基体Ａが裏面に前記可動接点２を有す
る可動部１２とこの可動部１２を可動接点２と固定接点
３が接離する変位可能に支持する支持部１３とを備えて
おり、前記両基体Ａ，Ｂ間への駆動電圧印加により発生
する静電力で前記可動部１２が変位して接点の接離がな
されるようになっている静電リレーにおいて、前記可動
側基体Ａと固定側基体Ｂとがともに導電性材料からなる
とともに、前記固定側基体Ａおよび／または可動側基体
Ｂにリレー駆動用回路部が設けられていることを特徴と
する静電リレー１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、静電力（クーロン
力）を利用して接点の接離を行う静電リレーに関する。

【０００２】

【従来の技術】静電リレーは、電磁リレーとは違って電
磁コイルを必要とせず、より小型化が図れることから、
開発が盛んに進められている。素子サイズ１０ｍｍ□以
下のものが可能である。図１１および図１２は、従来の
静電リレーをあらわす。この静電リレー１９１では、可
動側基体Ａの裏側に設けられた可動接点１９４と固定側
基体Ｂの表側に設けられた固定接点１９７が対面するよ
うにして前記可動側基体Ａと固定側基体Ｂが配置されて
いる。これら両基体Ａ，ＢはスペーサＣを介して接合さ
れている。

【０００３】可動側基体Ａは裏面に可動接点１９４を備
えた可動板（可動部）１９２とこの可動板１９２を可動
接点１９４と固定接点１９７が接離する変位可能に支持
する支持部（枠部）１９３からなる。そして、可動側基
体Ａの駆動電極を兼ねる可動板１９２と固定側基体Ｂの
駆動電極１９８の間への駆動電圧印加により発生する静
電力で前記可動板１９２が固定側基体Ｂに近づいて前記
両接点１９４，１９７が接触し、静電力の消滅に伴い前
記可動板１９２が自身のバネ性で元の水平状態に復元す
ることにより固定側基体Ｂから遠ざかり前記両接点１９
４，１９７が離れるようになっている。

【０００４】可動基体Ａはシリコン基板を選択エッチン
グ等の微細加工手段で加工することにより必要な構造部
分の作り込みがなされており、一方、固定側基体Ｂはガ
ラス基板である。可動接点１９４や固定接点１９７、あ
るいは、固定側駆動電極１９８は、金属薄膜形成・パタ
ーンニング等により形成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような構造およ
び動作から分かるように、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、従来の電磁リレーに比べて体積を１／１０以下にす
ることも可能になり、また、高速動作が可能で、使用時
の発熱が非常に小さく、低コストで大量生産することが
できる等の利点がある。

【０００６】しかしながら、上記の静電リレーは、外部
の電磁界に影響されやすいという問題や熱衝撃に弱いと
いう問題がある。上記の静電リレーは、固定側基体Ｂの
ガラス基板が絶縁材であるため、外部からの電磁誘導が
強く影響する場や強電界の場に静電リレーが置かれた場
合、駆動電圧による静電力が変動して誤動作するのであ
る。

【０００７】また、可動側基体Ａのシリコン基板と固定
側基体Ｂのガラス基板は熱膨係数が大きく異なってお
り、熱衝撃を受けた際の両基体Ａ，Ｂの寸法変動量の差
が大きく大きな歪みや応力が発生するため、破損してし
まうのである。さらに、静電リレーの場合、動作させる
ための駆動電圧が高いという問題もある。通常の電子回
路においては信号電圧は数Ｖ〜十数Ｖ程度である。静電
リレーの場合、普通、数十Ｖ〜数百Ｖの駆動電圧が必要
とされる。したがって、駆動電圧発生用の昇圧回路が必
要となる。また、駆動電圧の解除後、駆動電極の間に蓄
積された電荷を放電させないと接点が開かないため、通
常、放電回路も要求される。このように、静電リレー自
体は小型化できるが、他に昇圧回路や放電回路等の外付
回路を付加する必要があるため使い難いのである。

【０００８】この発明は、上記事情に鑑み、外部の電磁
界に影響され難く、かつ、熱衝撃に強く、さらに、外付
回路の付加に伴う使い難さが軽減された静電リレーを提
供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１〜６記載の静電
リレーは、前記課題を解決するため、可動側基体の裏側
に設けられた可動接点と固定側基体の表側に設けられた
固定接点が対面するようにして前記可動側基体と固定側
基体とが配置され、前記可動側基体が裏面に前記可動接
点を有する可動部とこの可動部を可動接点と固定接点が
接離する変位可能に支持する支持部とを備えており、前
記両基体間への駆動電圧印加により発生する静電力で前
記可動部が変位して接点の接離がなされるようになって
いる構成において、前記可動側基体と固定側基体とがと
もに導電性材料からなるとともに、前記固定側基体およ
び／または可動側基体にリレー駆動用回路部を設けるよ
うにしている。

【００１０】導電性材料からなる基体としては、例え
ば、請求項２のように、シリコン基板が挙げられる。可
動側・固定側の具体的形態例としては、請求項３のよう
に、可動側基体の表面には絶縁膜が形成されていて、そ
の上に可動接点と可動側駆動電極が形成されており、固
定側基体の表面には絶縁膜が形成されていて、その上に
固定接点と固定側駆動電極が形成されている態様が挙げ
られる。さらに、請求項４のように、可動側基体と固定
側基体が電気的に接続され同電位にある態様が好まし
い。

【００１１】駆動用回路部の具体的形態例としては、請
求項５のように、放電回路を有する態様や、請求項６の
ように、駆動電圧発生用昇圧回路の少なくとも一部を有
する態様が挙げられる。駆動用回路部は駆動に必要な全
ての回路を備えている必要はなく一部の回路だけを有し
ていてもよい。例えば、昇圧回路の一部と放電回路を有
するという態様もある。もちろん、駆動に必要な全ての
回路を有している態様が望ましい。

【００１２】駆動用回路部は、可動側基体あるいは固定
側基体のどちらに設けられてもよいし、分割して両基体
にまたがって設けるようにしてもよい。駆動用回路部
は、通常、図５にみるように、昇圧回路と放電回路とを
備え、信号電圧が昇圧回路で昇圧され駆動電圧として可
動側駆動電極１６と固定側駆動電極２２の間に印加され
る。なお、放電回路は、駆動電圧印加時には放電動作を
行わないことは言うまでもない。そして、駆動電圧印加
が停止された時には放電回路が駆動電極１６，２２の間
に蓄積された電荷を速やかに放電させる。

【００１３】駆動用回路部のより具体的構成例を図６に
示す。図６の場合、発光ダイオード（発光素子）１００
とこの発光ダイオード１００の光を受けて起電力を発生
する複数の光電池１０２・・・が直列接続されたフォト
セルアレイ１０１とで昇圧回路が構成され、ノーマリイ
オフ型ＮＰＮトランジスタ１０３、抵抗１０４およびダ
イオード１０５で放電回路が構成されている。

【００１４】図６の駆動用回路部の動作は、以下の通り
である。低い信号電圧で発光ダイオード１００を発光さ
せるとフォトセルアレイ１０１で信号電圧より高い駆動
電圧が発生する。必要な高さの電圧が得られるように光
電池１０２の数が調整されているのである。駆動電圧の
発生中は、トランジスタ１０３はオフ状態であり、駆動
電圧が両駆動電極１６，２２の間に正常にかかり充電さ
れる。信号電圧が消滅すると駆動電圧はなくなるが、駆
動電極１６，２２の間の蓄積電荷による電圧でトランジ
スタ１０３がオン状態になると共に蓄積電荷の放電が始
まる。

【００１５】次に、昇圧回路の他の構成例を２つ、図面
を参照しながら説明する。図７の昇圧回路は、チャージ
ポンプタイプであり、ｎ個（図では８個）のダイオード
１１１とｎ個（図では８個）のコンデンサ１１２を直並
列接続した回路である。交流信号電圧Ｅのｎ倍の直流駆
動電圧が得られる。コンデンサとダイオードの２種類の
回路要素で構成できる。例えば、図６の昇圧回路の変わ
りに使える。

【００１６】図８の昇圧回路は、薄膜トランス型整流回
路であって、薄膜トランス１２１と整流ダイオード１２
２とコンデンサ１２３からなる整流部で構成されてい
る。低い交流信号電圧がトランスで昇圧され高い直流駆
動電圧となる。なお、薄膜トランス１２１は、図９にみ
るように、例えば、図１０に示す如くつづら折れパター
ンの１次コイル１２５および２次コイル１２６用の導電
性金属薄膜（例えば銅薄膜）を絶縁物（例えば、酸化シ
リコン）１２７中に埋め込み、さらに全体を磁性膜（例
えばフェライト薄膜）１２８で包むようにしたものが例
示される。この薄膜トランスは通常の薄膜作製プロセス
で作製できる。

【００１７】図７および図８の昇圧回路は、交流信号電
圧を入力とする構成であるが、さらに前段に発振回路等
の直流−交流変換回路を挿入すれば、直流信号電圧を入
力とすることもできる。この発明の静電リレーは、上記
の構成に限らない。例えば、可動・固定の駆動電極の一
方は基体の絶縁膜上に設けるが、他方の駆動電極は導電
性基体自身の全体ないし一部で構成するようにしてもよ
い。この場合は、駆動電極やその上を覆う絶縁膜の形成
工程が省けるため、製造工程の簡素化・コストダウンが
図れるという利点が出てくる。

【００１８】

【作用】この発明の静電リレーでは、可動側基体と固定
側基体の両方ともが導電性材料である。そのため、熱膨
張率の差が小さく熱衝撃を受けた際に生ずる歪みや応力
が小さくなるために熱衝撃に対し強く、両導電性基体に
挟まれた区間は電気的シールド区間となるために外部の
電磁界の影響が軽減され外的要因による誤動作が起り難
い。

【００１９】さらに、駆動用回路部が基体に設けられて
おり、その分、外付回路の付加が不要となり、使い易く
なる。可動側基体と固定側基体が共にシリコン基板であ
れば、両基体の熱膨張率が同一であるため、熱衝撃を受
けた際の歪みや応力の極めて僅かであるため、熱衝撃に
対し著しく強くなる。また、シリコン基板の場合は、駆
動用回路部のためのトランジスタや抵抗等の素子を作り
込むことも容易である。駆動回路も含め全体を極めて小
型のものにすることができる。

【００２０】可動・固定の両接点および両駆動電極が基
体の表面の絶縁膜上に形成されている場合、両接点およ
び両駆動電極を導電性の両基体で十分に電気的シールド
することができるため、外部の電磁界の影響が極めて少
なくなり、その結果、外的要因による誤動作が非常に起
り難くなる。可動側基体と固定側基体が同電位にある場
合、両基体の間は常に電界がかからない状態が確実に維
持されることになるため、非常に安定性が高い。

【００２１】基板に設けられた駆動用回路部が両駆動電
極の間に蓄積された電荷を放電させるための放電回路を
有する場合、放電回路を外付けする必要がないため、使
い易い。基板に設けられた駆動用回路部が駆動電圧発生
用昇圧回路の少なくとも一部を有する場合、その分、外
付回路の必要性が軽減されるため、使い易い。昇圧回路
が組み込まている場合は低い信号電圧での駆動が可能な
ため、この点でも便利である。

【００２２】

【実施例】以下、この発明の実施例を、図面を参照しな
がら詳しく説明する。この発明は、下記の実施例に限ら
ないことは言うまでもない。図１は、実施例にかかる静
電リレーの要部構成をあらわす。図２は、実施例の静電
リレー全体を上方からみた状態をあらわす。図３は、実
施例の静電リレーの駆動用回路部まわりをあらわす。図
４は、図２のＸ−Ｘ断面をあらわす。

【００２３】実施例の静電リレー１はリレー部と駆動用
回路部とを有する。リレー部を先に説明し、その後で駆
動用回路部を説明する。静電リレー１のリレー部では、
可動側基体Ａの裏側に設けられた可動接点２と固定側基
体Ｂの表側に設けられた固定接点３が対面するようにし
て、両基体Ａ，Ｂが配置されている。これら両基体Ａ，
Ｂは接合面Ｄで電気的導通がとれるようにして結合され
ている。この場合、導電性ペーストを塗布して接合させ
ることで電気的導通を確保しつつ結合させている。この
他の結合方法もあるが、電気的導通がとれない結合方法
を用いた場合は、結合の後で電気的導通をとる処理を基
体Ａ，Ｂに対して行うようにする。

【００２４】可動側基体Ａは裏面に可動接点２を備えた
可動板（可動部）１２とこの可動板１２を可動接点２と
固定接点３が接離する変位可能に支持する支持部（枠
部）１３からなる。可動板１２はＴ字型連結部１４で支
持部１３とつながって変位可能な支持状態が実現されて
いるのである。可動板１２は、例えば、厚み３０μｍで
あって、支持部１３の底から僅かに窪んだ位置、例えば
２０μｍ引っ込んだ位置にある。

【００２５】可動側基体Ａは（１００）面を表面にもつ
シリコン単結晶基板からなり、上記のような構造は、水
酸化カリウムの水溶液エッチャントとマスク材料として
窒化シリコン膜を用いることで比較的容易に作ることが
できる。可動板１２の裏面（固定側基体Ｂ側の面）は絶
縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５上の先端域には
金属薄膜からなる可動接点２がパターン形成され、中央
域には金属薄膜からなる可動側駆動電極１６がパターン
形成されている。この駆動電極１６は絶縁膜１７で被覆
されていて、必要な電気的絶縁が確保されている。駆動
電極１６からは接続ライン１６ａが延びており、この接
続ライン１６ａも絶縁膜１７で覆われているが、絶縁膜
１７は固定側基体Ｂの駆動電圧導入端子２９との接続部
分Ｅは電気的接続のために覆わないパターンとされてい
る。なお、接続部分Ｅでの接続は上記の金共晶法で行っ
た。

【００２６】固定側基体Ｂもシリコン単結晶基板からな
り、可動板１２と対面する箇所に絶縁膜２１が形成され
ていて、この絶縁膜２１の先端域に金属薄膜からなる固
定接点３がパターン形成されており、中央域には金属薄
膜からなる固定側駆動電極２２がパターン形成されてい
る。なお、絶縁膜２１は駆動用回路形成域の必要箇所に
も形成されている。

【００２７】固定接点３は可動接点２と対面し、固定側
駆動電極２２は可動側駆動電極１６と対面するパターン
で形成されている。固定側駆動電極２２も絶縁膜２３で
被覆され必要な電気的絶縁が確保されている。駆動電極
２２の接続ライン２２ａの先端は駆動電圧導入端子２８
に繋がっている。なお、固定接点３の先端には接続端子
３０、３０がそれぞれ設けられている。また、図４にみ
るように、支持部１３の底が、２０μｍ程窪んでいて固
定接点３の接続ラインと支持部１３が接触しないように
なっている。

【００２８】可動接点２、絶縁膜１５，１７、可動側駆
動電極１６は、よく知られている薄膜形成プロセス、半
導体プロセス、フォトリソグラフィー技術等を用いて形
成できる。また、それらの材料も、目的に応じて種々選
択できる。固定接点３、絶縁膜２１，２３、可動側駆動
電極２２、端子２８〜３０も、やはり、よく知られてい
る薄膜形成プロセス、半導体プロセス、フォトリソグラ
フィー技術等を用いて形成できる。また、それらの材料
も、目的に応じて種々選択できる。

【００２９】接点２，３や駆動電極１６，２２は、真空
蒸着法による厚み０．５μｍの金薄膜をフォトリソグラ
フィー技術でパターン化したものである。絶縁膜１５，
２１は、常圧ＣＶＤ法で厚み１μｍの酸化シリコン薄膜
を堆積しフォトリソグラフィー技術でパターン化したも
のである。絶縁膜１７，２３は、プラズマＣＶＤ法で厚
み１μｍの酸化シリコン薄膜を堆積しフォトリソグラフ
ィー技術でパターン化したものである。端子２８〜３０
は、真空蒸着法による厚み１μｍのアルミニウム薄膜を
フォトリソグラフィー技術でパターン化したものであ
る。

【００３０】続いて、駆動用回路部の説明を行う。駆動
用回路部は、固定側基体Ｂの一側を中心に設けられてい
る。図６は駆動用回路部の等価回路をあらわす。駆動用
回路部は、昇圧回路と放電回路を備える。昇圧回路は、
赤色系の発光ダイオード１００とこの発光ダイオード１
００の光を受けて起電力を発生する多数の光電池１０２
・・・が多数個直列接続されたフォトセルアレイ１０１
とで構成されている。各光電池１０２はｐｉｎ型アモル
ファスシリコン光電池素子を３つ積層したタンデム構成
であって、このフォトセルアレイでは３０セル接続され
ている。また、放電回路は、ノーマリイオフ型ＮＰＮト
ランジスタ１０３、抵抗１０４およびダイオード（ない
しダイオードアレイ）１０５で構成されている。回路の
動作は前述した通りであるため省略する。なお、発光ダ
イオード１００は、フォトセルアレイ１０１の上に、例
えば、透光性絶縁膜を介して積層したり、空間を隔てて
配置したりすることができる。さらには、発光ダイオー
ド１００だけを外付にするようにしてもよい。この場合
は、昇圧回路は一部だけが内蔵という形になる。

【００３１】最後に静電リレーの動作を説明する。発光
ダイオード１００に信号電圧が印加されると、フォトセ
ルアレイ１０１に駆動電圧が発生し、これが可動側基体
Ａの駆動電極１６と固定側基体Ｂの駆動電極２２の間に
印加されると同時にトランジスタ１０３がオフになり、
駆動電圧印加による静電力で可動板１２が固定側基体Ｂ
に近づいて接点２、３が接触する。発光ダイオード１０
０に信号電圧が印加されなくなると、フォトセルアレイ
１０１での電圧発生が停止するとともにトランジスタ１
０３がオンになり、蓄積電荷が放電され静電力が消滅
し、可動板１２が自身のバネ性で元の水平状態に復元す
ることにより固定側基体Ｂから遠ざかり接点２、３が離
れる。

【００３２】

【発明の効果】以上に述べたように、請求項１〜６記載
の発明にかかる静電リレーでは、熱衝撃を受けた際の歪
みや応力が小さくなるために熱衝撃に対し強くなり、外
部の電磁界の影響が軽減されるために外的要因による誤
動作が起り難くなっており、さらに、駆動用回路部が基
体に設けられており、その分、外付回路の付加が不要と
なるため使い易く、大変に実用性が高い。

【００３３】請求項２記載の静電リレーの場合は、熱衝
撃を受けた際の歪みや応力が極めて小さくなるため、熱
衝撃に対し著しく強く、また、駆動用回路部の素子の形
成に基板がそのまま利用でき、駆動回路も含め全体を極
めて小型のものにすることができるという利点がある。
請求項３記載の静電リレーの場合は、外部の電磁界の影
響が極めて少なく外的要因による誤動作が非常に起り難
くなるという利点がある。

【００３４】請求項４記載の静電リレーの場合は、両基
体の間が常に電界がかからない状態が維持されるため、
非常に安定性が高いという利点がある。請求項５記載の
静電リレーの場合は、放電回路の外付けの必要がないと
いう利点がある。請求項６記載の静電リレーの場合は、
駆動電圧発生用昇圧回路の少なくとも一部の外付けの必
要がないという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例にかかる静電リレーの要部構成をあらわ
す断面図である。

【図２】実施例の静電リレーを上方からみた状態をあら
わす平面図である。

【図３】実施例の静電リレーの駆動用回路部の詳細をあ
らわす平面図である。

【図４】図２のＸ−Ｘ断面図である。

【図５】この発明の静電リレーの駆動用回路部の構成例
をあらわすブロック図である。

【図６】この発明の静電リレーの駆動用回路部の具体的
構成例をあらわす回路図である。

【図７】駆動用回路部の昇圧回路の構成例をあらわす回
路図である。

【図８】駆動用回路部の昇圧回路の他の構成例をあらわ
す回路図である。

【図９】薄膜トランスの構成をあらわす断面図である。

【図10】薄膜トランスの一次コイルをあらわす説明図で
ある。

【図11】従来の静電リレーをあらわす平面図である。

【図12】従来の静電リレーをあらわす断面図である。

【符号の説明】

１静電リレー２可動接点３固定接点１２可動部１３支持部１６可動側駆動電極２２固定側駆動電極Ａ可動側基体Ｂ固定側基体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西村広海大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者笠野文宏大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者粟井崇善大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可動側基体の裏側に設けられた可動接点
と固定側基体の表側に設けられた固定接点が対面するよ
うにして前記可動側基体と固定側基体とが配置され、前
記可動側基体が裏面に前記可動接点を有する可動部とこ
の可動部を可動接点と固定接点が接離する変位可能に支
持する支持部とを備えており、前記両基体間への駆動電
圧印加により発生する静電力で前記可動部が変位して接
点の接離がなされるようになっている静電リレーにおい
て、前記可動側基体と固定側基体とがともに導電性材料
からなるとともに、前記固定側基体および／または可動
側基体にリレー駆動用回路部が設けられていることを特
徴とする静電リレー。
【請求項２】可動側基体と固定側基体がシリコン基板
である請求項１記載の静電リレー。
【請求項３】可動側基体の表面には絶縁膜が形成され
ていて、その上に可動接点と可動側駆動電極とが形成さ
れており、固定側基体の表面には絶縁膜が形成されてい
て、その上に固定接点と固定側駆動電極とが形成されて
いる請求項１または２記載の静電リレー。
【請求項４】可動側基体と固定側基体が電気的に接続
され同電位となっている請求項１から３までのいずれか
に記載の静電リレー。
【請求項５】駆動用回路部が、可動側駆動電極と固定
側駆動電極の間に蓄積された電荷を放電させるための放
電回路を有する請求項１から４までのいずれかに記載の
静電リレー。
【請求項６】駆動用回路部が、駆動電圧発生用昇圧回
路の少なくとも一部を有する請求項１から５までのいず
れかに記載の静電リレー。