JPH0612962A - 静電駆動型リレー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】接点圧力が十分得られ、接触信頼性が良く、接
点間耐圧も高く、電極への印加電圧も低くてすむ静電駆
動型リレーを提供するにある。 【構成】上、下部の固定片１、３は固定電極、１０、３
０を形成せるシリコンウェハからなる。固定片１、３の
間に挟持される可動片２も可動電極２１を形成せるシリ
コン単結晶ウェハからなり、可動電極２１が移動可能に
支持されている。両固定片１、３と可動片２のサンドイ
ッチ状の構造は、各固定電極１０、３０上に形成してい
るエレクトレット１１、３１による可動電極２１に及ぼ
す静電力と、外部印加による静電力を重ね合わせた力と
で、可動接点２２と固定接点１２又は３２との間の接点
圧を大きくすることができるのである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電力によって駆動され
る静電駆動型リレーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の静電駆動型リレーの公知例とし
ては特公昭５５−１５０６０号、特開平２−１００２２
４号に示されるものがあり、前者のものは図１３に示す
ように並行配設した制御電極４０、４０の間にエレクト
レット４１を配置した構成となっている。また後者のも
のは図１４に示すように基板４２上に固定電極層３３を
形成し、この固定電極層４３の上方に並行するように可
動片４４を配置した構成となっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来例の内前者
の構成では、エレクトレット４１を分極させた時にエレ
クトレット４１の電荷の総和が０の場合、動作しない構
成となっている。従って分極させたそれぞれの電荷の絶
対値が異なるように帯電させる必要があり、正確な帯電
量の制御が困難な上に、充放電回路を外部に設ける必要
があり、システム全体のコストが高く、大型化する欠点
があった。

【０００４】また後者の場合は電極に印加された電圧に
よる静電力のみで動作しているため接点圧力が弱く、接
触信頼性が悪い。また静電力を得るためには電極間の距
離を小さくするか、電極への印加電圧を高くする必要が
あり、電極間の距離を小さくする方法では接点間の空隙
も小さくなり、接点間耐圧が小さくなるという問題があ
った。

【０００５】更にこの従来例では可動片４４をシリコン
ウェハで形成し、固定電極層４３を形成している基板４
２は樹脂で製作しており、それぞれ異なる材料で製作さ
れているため、熱膨張率が異なり、結果使用温度の変動
があると構造体に歪みが生じて動作が不安定になるとい
う問題があった。本発明は以上のような問題点を解決す
るためになされたもので、エレクトレットの帯電が容易
に行え、外部からの振動、衝撃によっても誤動作を起こ
さず、接点圧力も十分得られ、接触信頼性が良く、更に
接点間耐圧も高く、その上電極への印加電圧も低くてす
み、温度変化に対しても安定し、しかも小型化が図れる
静電駆動型リレーを提供するにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、固定電極を形成せるシリ
コン単結晶ウェハからなる２つの固定片と、可動電極を
形成せるシリコン単結晶ウェハからなり上記両固定片に
よってサンドイッチ状に挟まれ上記可動電極が移動可能
に支持された可動片とで構成され、上記両固定片の各固
定電極上にエレクトレットを形成し、可動片と固定片と
には可動片の移動により互いに接離する接点を設けたも
のである。

【０００７】尚可動電極を一端が支持固定された周辺部
位と、この周辺部位に囲まれた内部において、上記周辺
部位の他端に一端が固定されて、自由端に接点を設けた
中央部位とで構成して片持ち型としても良く、また可動
電極を両端が支持固定された周辺部位と、この周辺部位
に囲まれた内部において、上記周辺部位の両固定端を結
ぶ線に対して垂直方向の周辺部位の内縁に固定され、こ
の固定部位から周辺部位の両固定端方向に延長された各
自由端に夫々接点を設けた中央部位とで構成して両持ち
型としても良い。

【０００８】

【作用】而して本発明の構成によれば、固定電極を形成
せるシリコンウェハからなる２つの固定片と、可動電極
を形成せるシリコンウェハからなり上記両固定片によっ
てサンドイッチ状に挟まれ上記可動電極が移動可能に支
持された可動片とで構成され、上記両固定片の各固定電
極上にエレクトレットを形成しているので、エレクトレ
ットによる可動電極に及ぼす静電力と、外部印加による
静電力を重ね合わせた力を利用することができ、しか
も、可動電極が固定電極に対し平行に近い状態で移動さ
せることができるため通常より静電力が大きく、その結
果接点圧が大きく取れ、接点の接触信頼性が良い。また
外部よりの振動、衝撃に対して誤動作しにくいのであ
る。更に可動電極と固定電極の空隙も広くとることもで
き、結果接点間の空隙も大きくなって接点間耐圧を大き
くすることができ、更に電極への印加電圧も低くてす
み、駆動回路の耐圧を低くすることができる。

【０００９】また可動片、固定片ともシリコンウェハで
作っているため、１つのウェハ上に多数個同時に製作す
ることもできるため量産性が良く、その結果安価に製作
することができ、また接合する可動片、固定片が同一材
料であるので熱膨張係数が同じで、バイメタルのような
動きはなく、温度変化に対しても安定である。また固定
片がシリコンウェハよりなるため放電回路、昇圧回路等
の駆動回路をシリコンウェハ上に形成できるので、外部
に駆動装置を設ける必要がない。

【００１０】尚請求項２記載の発明の構成によれば、片
持ち型のリレーが、また請求項３記載の発明の構成によ
れば両持ち型のリレーが実現できる。

【００１１】

【実施例】以下本発明を実施例により説明する。 （実施例１）本実施例は図１に示すように上部固定片１
と、可動片２と、下部固定片３とで構成され、上下の固
定片１、３間に可動片２をサンドイッチ状に挟持する構
造となっている。

【００１２】可動片２は、図２に示すようにシリコン単
結晶ウェハを基材とするもので、可動電極２１、固定接
点２２、可動接点２３、固定片接合用金属薄膜層２４、
電極端子２８を形成している。可動電極２１は可動片２
の周辺部より異方性エッチング等により、上下から凹部
に加工されたもので絶縁膜２０に覆われており、外周は
コの字状にエッチング形成され、その一端が支持固定端
２５となっている。さらにその内部に上記コの字と逆方
向のコの字状にエッチングされ、周辺部位となる端部可
動電極２１ａと中央部位となる中央可動電極２１ｂを形
成しており、端部可動電極２１ａは、上記支持固定端２
５を中心に回転し、中央可動電極２１ｂは、支持固定端
２５とは反対側に位置する中央可動電極支持固定端２６
を中心に回転する。

【００１３】よって中央可動電極２１ｂは、後述する上
下の固定片１、３の固定電極１０、３０に対し、平行に
移動する。また下部固定片３の固定接点から電気信号を
取り出せるように可動片２の隅には切欠き２７も設けら
れている。可動接点２３は、上記絶縁膜２０上に形成さ
れ、可動電極２１の凹部により、２つの固定片１、３が
上下に接合されるだけで接点間ギャップを設けることが
できるようになっている。また上記金属薄膜層２４及び
固定接点２２も上記絶縁膜２０上に形成されたもので、
金属薄膜層２４は金或いは金合金層からなり、可動片２
の基材であるシリコン単結晶ウェハに接続されている。
尚２８は電極端子である。

【００１４】固定片１、３は可動片２と同様にシリコン
単結晶ウェハを基材とするもので、図３、図４に示すよ
うに絶縁膜１４、３４上に固定電極１０、３０、エレク
トレット１１、、３１、固定接点１２、３２、可動片接
合用の金或いは金合金層からなる金属薄膜層１３、３３
を夫々形成し、各電極１０、３０とエレクトレット１１
はコンタクト１５、３５により接続されている。尚１６
は上部固定片１の電極端子である。また２２ａ、２２ｂ
は固定接点１２、３２に接続される可動片１の固定接点
２２の端部に設けた固定接点端子である。

【００１５】而して、これら可動片２、上下の固定片
１、３の接合用金属薄膜層２４と１３及び２４と３３と
が合わさるように接触させて、適当な圧力を加えながら
加熱すると接合用金属薄膜層２４、１３、３３が互いに
基材のシリコンとともに共晶化して、機械的にも、電気
的にも接続されることになるのである。図５は可動片２
を固定片１、３で挟持した状態の断面図を示す。

【００１６】ここで外部に電気信号を取り出す方法とし
て上に重ねる部品の周辺の寸法を小さくして電極を露出
させる方法もあるが、それでは各部品を切り出してから
接合することになり工程が複雑であるため、本実施例で
は固定片１、３、可動片２が多数個形成されたシリコン
ウェハ３枚を先に接合してから切り出すことが可能にな
るので生産効率が向上する。さらに固定片１、３に、ウ
ェハ内に高濃度ドーピング層からなる固定電極１０、３
０を形成したり、トランジスタ、ダイオード、抵抗素
子、コンデンサ等で構成される静電駆動回路用ＩＣを形
成しても良く、駆動回路を一体形成した場合、外部に駆
動回路を設ける必要は無くなる。

【００１７】また印加電圧は本発明にような静電駆動リ
レーを動作させる場合、数十Ｖの電圧が必要だが昇圧回
路を固定片１、３に形成しておくと入力は数Ｖで動作す
る。また上部の固定片１のエレクトレット１１の可動電
極２１に面している表面がプラス、下部固定片３のエレ
クトレット３１の可動電極２１に面している表面がマイ
ナスとなるように永久分極している。勿論永久分極の代
わりに互いに逆極性の電荷を永久的に持たせるようにし
ても良い。両者の電荷量の絶対値が同じ時の電極間距離
と静電力（可動電極２１にかかるトルク）及びバネ負荷
との関係を図６に示す。ただし静電力とバネ負荷による
トルクは逆向きに作用するが、図６では同じ向きとして
示している。尚図６中イはバネ負荷力を、ロは印加電圧
が０Ｖの時の静電力を、ハは可動電極２１にプラス電圧
を印加した時の静電力を、ニは可動電極２１にマイナス
電圧を印加した時の静電力を夫々示す。

【００１８】次に本実施例の動作を説明する。まず固定
電極１０、３０と可動電極２１の電位が同電位の場合、
固定電極１０、３０と可動電極２１が平行になっている
中立位置では２つのエレクトレット１１、３１により発
生する静電力は同じ大きさで、可動電極２１に働くトル
クは０である。可動電極２１が上部エレクトレット３１
側に傾くと、上部エレクトレット１１により発生する静
電力が大きいので、可動電極２１には、上部エレクトレ
ット１１側に傾こうとするトルクが発生する。逆に可動
電極２１が下部エレクトレット３１側に傾くと、下部エ
レクトレット３１により発生する静電力が大きいので、
可動電極２１には、下部エレクトレット３１側に傾こう
とするトルクが発生する。

【００１９】その際、まず可動電極２１の端部可動電極
２１ａが可動電極支持固定端２５を中心として、変形し
ようとする。次に中央可動電極２１ｂは中央可動電極支
持固定端２６を中心に回転しようとする。よって中央可
動電極２１ｂは固定電極１０又は３０に対し、平行に移
動しようとするので、可動電極２１は固定電極１０又は
３０に対し、大きな静電力を発生する。平行的に固定側
に近づくので可動電極２１と固定電極１０、３０間距離
が常に一定で、特に接点部がオンする際、中央可動電極
２１ｂと固定電極１０又は３０間の空隙は０に近くなる
（できる）。

【００２０】さて可動電極２１にプラスの電圧を印加し
た場合、上部エレクトレット１１と可動電極２１には反
発力、下部エレクトレット３１と可動電極２１には吸収
力が発生するため、可動電極２１に下部エレクトレット
３１側に傾こうとするトルクが発生する。この場合、反
発力、吸収力の両者が同じ向きのトルクに寄与するので
非常に大きな接点圧を得ることができる。逆に可動電極
２１にマイナスの電圧を印加した場合、上部エレクトレ
ット１１と可動電極２１には吸収力、下部エレクトレッ
ト３１と可動電極２１には反発力が発生するため可動電
極２１に上部エレクトレット１１側に傾こうとするトル
クが発生する。

【００２１】また可動電極２１のバネ力が中立位置では
０、どちらかのエレクトレット１１又は３１側に可動電
極２１が傾いている時、中立位置へ戻ろうとするトルク
が働く。即ち、静電力とバネ力は互いに逆向きにかかる
ことになる。図６において可動電極２１に電圧が印加さ
れていない状態で、可動電極２１がどちらかのエレクト
レット１１又は３１に傾いている時、静電力の方がバネ
力より大きくなるように設定すると、可動電極２１はそ
の位置を保持して、中立位置へは戻らない。即ち２つの
安定状態を持つ。

【００２２】例えば、最初、上部エレクトレット１１側
に傾いた状態から、可動電極２１にプラスの電圧を印加
した場合、上部エレクトレット１１への吸着力が弱くな
り、下部エレクトレット３１側に回転し保持される。こ
の状態で可動電極２１への印加電圧を０にしても、その
状態を保持する。逆に可動電極２１へマイナスの電圧を
印加した場合、逆の動作をする。つまりラッチング動作
が可能になる。

【００２３】２つのエレクトレット１１、３１の帯電量
の絶対値が異なる場合の動作を図７に示す。この図示例
ではエレクトレット１１のプラスの帯電量の方が大きく
なるようにしている。可動電極２１に電圧を印加してい
ない状態では上部からの吸引力の方が大きくなるため、
上部に傾いた状態で安定している。そして可動電極２１
にプラスの電圧を印加した時は下部からの吸引力が強く
なり可動電極２１には下部へ傾こうとするトルクが働き
接点部を閉じた状態で安定する。そして印加電圧を取り
除くとバネの復元力の方が優るため、中立位置へ戻り、
上部の吸引力によって再び元の位置へ戻る。図７中イは
バネ負荷力、ロは印加電圧が０のときの静電力、ハは可
動電極２１にプラス電圧を印加した時の静電力を示す。

【００２４】以上により２つのエレクトレット１１、３
１の帯電量のバランスを変えることによってラッチング
動作、シングル動作の両方を可能にする。 （実施例２）上記実施例１は可動電極２１を片持ちした
型の構造であったが、本実施例は図８〜図１２に示すよ
うに両持ち型にしものである。つまり可動片２の可動電
極２１は外周の両端の２点が端部可動電極２１ａの支持
固定端２５となっており、可動電極２１の内部では上記
支持固定端２５、２５間を結ぶ線に対して垂直方向の辺
の中心部の２点が端部可動電極２１ａの中央内縁に一体
に連結されるようにエッチングされ、その内部の部位が
中央可動電極２１ｂとなっており、この中央可動電極２
１ｂは中央両側の支持固定端２９を中心に両自由端が変
形する。よって中央可動電極２１ｂは、固定電極１０、
３０に対し、平行に移動する。尚上記両自由端には可動
接点２３を設けており、これらの可動接点２３に対応す
るように固定片１０、３０には固定接点１２、３２を設
けてある。また下部固定片３の固定接点３２から電気信
号を取り出せるよう可動片２の４つの隅には切欠き３５
を設けている。

【００２５】尚実施例１の構成に対応して同じ役割を持
つ部位には同一番号を付しており、基本的には同じ動作
を為すため、説明は省略する。而して本実施例のトルク
発生の動作は基本的には実施例１と同様であるが、可動
電極２１は次のように変形する。まず端部可動電極２１
ａは両端が支持固定端２５で固定支持されているため、
弓のように変形しようとする。一方中央可動電極２１ｂ
は中央両側の支持固定端２９を中心にその両端が変形し
ようとする。よって中央可動電極２１ｂは固定片１又は
３の固定電極１０又は３０に対し、平行に移動し、可動
電極２１は固定電極１０又は３０に対し、大きな静電力
を発生する。特に接点部がオンする際、中央可動電極２
１ｂと固定電極１０又は３０間の空隙は０に近くなるの
である。

【００２６】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、固定電極を形成
せるシリコンウェハからなる２つの固定片と、可動電極
を形成せるシリコンウェハからなり上記両固定片によっ
てサンドイッチ状に挟まれ上記可動電極が移動可能に支
持された可動片とで構成され、上記両固定片の各固定電
極上にエレクトレットを形成しているので、エレクトレ
ットによる可動電極に及ぼす静電力と、外部印加による
静電力を重ね合わせた力を利用することができ、しか
も、可動電極が固定電極に対し平行に近い状態で移動さ
せることができるため通常より静電力が大きく、その結
果接点圧が大きく取れ、接点の接触信頼性が良くなると
いう効果があり、また外部よりの振動、衝撃に対して誤
動作しにくいという効果もあり、更に可動電極と固定電
極の空隙も広くとることもでき、結果接点間の空隙も大
きくなって接点間耐圧を大きくすることができ、更に電
極への印加電圧も低くてすみ、駆動回路の耐圧が低くな
るという効果があり、更にまた可動片、固定片ともシリ
コンウェハで作っているため、１つのウェハ上に多数個
同時に製作することもできるため量産性が良く、安価に
製作することができ、また接合する可動片、固定片が同
一材料であるので熱膨張係数が同じで、バイメタルのよ
うな動きはなく、温度変化に対しても安定で、その上固
定片がシリコンウェハよりなるため放電回路、昇圧回路
等の駆動回路を形成できるので、外部に駆動装置を設け
る必要がないという効果がある。

【００２７】請求項２、３記載の発明は上述のように構
成しているので、請求項２記載の発明では、片持ち型の
リレーが、また請求項３記載の発明では両持ち型のリレ
ーが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の分解斜視図である。

【図２】同上の可動片の上面図である。

【図３】同上の上部固定片の上面図である。

【図４】同上の下部固定片の上面図である。

【図５】同上の断面図である。

【図６】同上の動作説明用の接点間距離と静電力及びバ
ネ負荷の関係図動作特性図である。

【図７】同上の別の動作説明用の接点間距離と静電力及
びバネ負荷の関係図動作特性図である。

【図８】本発明の実施例２の分解斜視図である。

【図９】同上の可動片の上面図である。

【図１０】同上の上部固定片の上面図である。

【図１１】同上の下部固定片の上面図である。

【図１２】同上の断面図である。

【図１３】従来例の構成図である。

【図１４】別の従来例の構成図である。

【符号の説明】

１ 上部固定片 ２ 可動片 ３ 下部固定片 １０ 固定電極 １１ エレクトレット １２ 固定接点 ２１ 可動電極 ２１ 端部可動電極 ２１ 中央可動電極 ２５ 支持固定端 ２６ 支持固定端 ２３ 可動接点 ３０ 固定電極 ３１ エレクトレット ３２ 固定接点

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定電極を形成せるシリコンウェハからな
   る２つの固定片と、可動電極を形成せるシリコンウェハ
   からなり上記両固定片によってサンドイッチ状に挟まれ
   上記可動電極が移動可能に支持された可動片とで構成さ
   れ、上記両固定片の各固定電極上にエレクトレットを形
   成し、可動片と固定片とには可動片の移動により互いに
   接離する接点を設けたことを特徴とする静電駆動型リレ
   ー。
2. 【請求項２】可動電極は一端が支持固定された周辺部位
   と、この周辺部位に囲まれた内部において、上記周辺部
   位の他端に一端が固定されて、自由端に接点を設けた中
   央部位とから成ることを特徴とする請求項１記載の静電
   駆動型リレー。
3. 【請求項３】可動電極は両端が支持固定された周辺部位
   と、この周辺部位に囲まれた内部において、上記周辺部
   位の両固定端を結ぶ線に対して垂直方向の周辺部位の内
   縁に固定され、この固定部位から周辺部位の両固定端方
   向に延長された各自由端に夫々接点を設けた中央部位と
   から成ることを特徴とする請求項１記載の静電駆動型リ
   レー。