Piezoelectric relay

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロマシンの１つであり、圧電力及び永久磁石を駆動源とするラッチタイプの省電力型圧電式リレーに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりマイクロマシンの1 つに静電吸引力を駆動源とする静電式リレーがある。 その一例として、特開平2-100224号公報に開示されている静電式リレーを図面を参照して説明する。 図１５は静電式リレーの分解斜視図、図１６は図１５のＥ−Ｅ線断面図である。

【０００３】図において、501 はガラス製基板、502 、
503 は基板501 の中央部に併設された前後１対の固定電極層、504 、505 は前側固定電極層502 の前方に位置して基板501 の主面に形成された１対の固定接点層、506
、507 は前記に準じて後側固定電極層503 の後方に位置して形成された１対の固定接点層、508 は長方形の板状シリコン単結晶のウエハ、509 はスペーサ手段としてのガラスロッドで、ウエハ508 は図外の接着剤との混合物510 を介して基板501 の主面側に押圧して固定されている。

【０００４】前記ウエハ508 には前後にコ字状を有する切欠きによって可動片511 が形成されており、梁部512
を中心にして前片部511Aと後片部511Bが揺動可能に設けられている。 514 、515 は前片部511A、後片部511Bに設けられた可動接点層である。 可動片511 と前側の固定接点層502 との間に直流電圧を印加すると、前片部511Aと固定接点層502 との間に静電吸引力が発生し、前片部51
1Aは梁部512 を支点として固定接点層502 側に歪んで変位する。

【０００５】そのため、可動接点層514 が固定接点層50
4 、505 に接触し、両固定接点層504 、505 間がオンされる。 直流電圧を切ると、前片部511Aは梁部512 のねじれ復帰力によって原状に復帰し、固定接点層504 、505
がオフされる。 また可動片511 と後側の固定接点層503
との間に直流電圧を印加すると、後片部511Bも前記と同様に動作するようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記したり静電式リレーにはつぎのような欠点がある。 すなわち、可動接点層514 が両固定接点層504 、505 に接触し、両者をオン・オフ制御するために、固定電極層502
、503 と可動片511 とによって構成される駆動用対向電極層間に所定の静電吸引力を発生させる必要がある。
またラッチ機能を有していないので、両固定接点層504
、505 をオン・オフし続けるためには、前記駆動用対向電極層間に直流電圧を印加し続ける必要がある。 このため、消費電力が大きいという欠点があった。

【０００７】さらに前記駆動用対向電極層間の隙間は短絡の危険性があるため、これを非常に小さくすることができないという難点もあった。 本発明は上記事情に鑑みて創案されたもので、消費電力を少なくした圧電式リレーを提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
シリコン単結晶よりなる基板と、この基板の主面上にシリコンプロセスをベースに作成した半導体多結晶からなる可動片と、この可動片を挟んで基板主面上に配設された１対のバイモルフ式圧電体と、前記基板主面上でかつ前記可動片の先端近傍に設けた永久磁石と、前記基板主面に絶縁物を介して形成された複数個の固定接点層とを具備しており、前記可動片は前記永久磁石に対向する表面に磁性体で形成された吸着部と、前記固定接点層を開閉する可動接点層とを有していることを特徴とする圧電式リレーである。 請求項２記載の発明はバイモルフ式圧電体に代えて積層式圧電体を構成要件としている。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。 図１は請求項１記載の発明の分解斜視図、図２は図１の長手方向中心線であるＡ−Ａ線の断面図、図３は図１において、前記Ａ−Ａ線と平行しＡ−Ａ線と離れたＢ−Ｂ線（Ｂ−Ｂ線はＡ−Ａ線と平行した線である) の断面図である。

【００１０】図１において、全体の形状は長手方向に対称形状に形成されているものとするが、本発明は必ずしも対称であることには限定されないものである。 図１において、105 はC 字形状に形成したポリシリコンからなる永久磁石ホルダー、109 は前記永久磁石ホルダー105
内に内挿する永久磁石で、図のようにNS極が対向したＣ
字状のかたちをしている。

【００１１】102は可動片、103a、103b、103c、103dは固定接点層、106 は可動接点層、107は吸着部、104a、1
04bは圧電体ホルダーである。 108a、108bはバイモルフ式圧電体である。

【００１２】バイモルフ式圧電体を用いた圧電式リレーの製造方法について説明する。 図４、図５、図６は図２
の製造過程を段階的に示す断面図、図７は図３の製造過程を段階的に示す断面図である。 図８は全体的に分かり易くするための製造工程説明図である。 以下、図８を参照して説明する。

【００１３】(1) まずシリコン基板101 の表面にSiO ₂
101Aを成膜する。 (2) 通常の方法でSiO ₂ 101Aを2 度乾式エッチングして成形する。 (3) Si ₃ N ₄ (窒化シリコン)101B を成膜し、この上にフオトレジスタ101Cを塗布してこれを通常の方法で成形する。 (4) Si ₃ N ₄ 101B を湿式エッチングする。 (5) 全面にポリシリコン102 を例えばLPCVD 法で成膜する。 (6)SiO ₂ 102A を前記ポリシリコン102 上に成膜し、これをエッチングする。 (7)SiO ₂ 102A をマスクとして前記ポリシリコン102 を乾式エッチングする。 (8) 前記SiO ₂ 102Aを除去してSiO ₂ 102Bを成膜する。 (9)SiO ₂ 102B を乾式エッチングする。

【００１４】(10)SiO ₂ 102Bをマスクとしてポリシリコン102 をエッチングする。 ポリシリコン102 のエッチング後、不要となったSiO ₂ 102Bを除去する。 この場合、
図４、図７の右端のポリシリコン102 は永久磁石ホルダーになる部分であるので、この部分を以下の説明では永久磁石ホルダー105 とする。 また図７の略中央部にある
104 はバイモルフ式圧電体のホルダーであるので、エッチングの際に平面視でコの字状に形成しておく。 (11)SiO ₂ 102Cを成膜する。 (12)SiO ₂ 102Cを乾式エッチングする。 (13)ポリシリコン102Dを新たに成膜する。 (14)SiO ₂ 102Eを成膜し、これをエッチングする。 (15)前記SiO ₂ 102Eをマスクとして、ポリシリコン102D
を乾式エッチングする。

【００１５】(16)SiO ₂ 101A、102C、102Eを湿式エッチングする。 これにより、可動片102 が基板101 から浮き上がるので、102Dを回転軸として回転可能になる。 (17)ニオブNbを真空蒸着により成膜した後、パーマロイ
102Fを真空蒸着により成膜する。 この場合、ニオブを蒸着するのは、ポリシリコン102 とパーマロイの密着性を向上させるためである。 (18)つぎにフオトレジスト102Gを塗布し、パーマロイの部分メッキ用にパターニングする。 (19)可動接点層106 、磁性体107 、固定接点層103a、10
3b、103c、103dとなるべき部分をパーマロイでもって電解メッキ法で部分メッキする。 (20)フオトレジスト102Gを剥離し、イオンミリング等により不要な部分のパーマロイをエッチングする。 (21)無電解メッキ法で前記106 、107 、103a、103b、10
3c、103dの表面及び側面をAuメッキする。

【００１６】以上の工程でシリコン基板上に可動片102
、固定接点層103 、バイモルフ式圧電体ホルダー104
、永久磁石ホルダー105 、可動接点層106 及び磁性体1
07 等が完成する。 つぎにバイモルフ式圧電体108a、108
b及び永久磁石109 を製作してそれぞれバイモルフ式圧電体ホルダー104 、永久磁石ホルダーに挿入接着することでバイモルフ式の圧電リレーが完成する。

【００１７】つぎにバイモルフ式圧電体リレーの動作について説明する。 図９において、この圧電体は２枚の圧電板（例えばPZT)301 と３枚の電極板302 を交互に接着剤で貼り合わせて構成し、各圧電板302 に互いに逆方向の伸縮変形が生じるように電界を印加して屈曲変形を起こさせる。

【００１８】図１で例えばバイモルフ式圧電体108aの先端108a′が可動片102 の向きに変形するように電界を加えると、可動片102 は回転軸102dを中心として時計方向に回転し、可動接点層106 が固定接点層103a、103bに接触して両固定接点層が閉成される。 この時、磁性体107
は永久磁石109 のS 極側に吸引されるため、可動接点層
106 と固定接点層103a、103bの吸着力は強く、接点部分の接触抵抗は極めて小さい。 しかもこの状態はバイモルフ式圧電体108aの電界を断った後も保持される。

【００１９】つぎにバイモルフ式圧電体108bの先端108
b′が可動片102 の向きに変形するように電界を加える。 この時磁性体107 が永久磁石109 のS 極側に吸引されている状態からN 極側に吸引される状態に移行するのに充分な力を有するように、バイモルフ式圧電体108a、
108bが屈曲変位する際の発生力Fbと、磁性体107 と永久磁石109 の間に発生する起磁力Fmはバランスよく設計される(Fb ＞Fm＞Fc 、Fcは接点の接触抵抗を小さくするために必要な力) 。

【００２０】従って、可動片102 は回転軸102dを中心として反時計方向に回転し、可動接点層106 が固定接点層
103c、103dに接触し、両固定接点層が閉成される。 この時も前記同様電界を断ったあとも閉成状態は保持される。

【００２１】図１０は請求項１記載の圧電式リレーの入力信号、出力信号の例を示した図である。 バイモルフ式圧電体108aにパルス電圧を印加（手段１、図１０(a))すると、固定接点層103a、103bが閉成し（状態１、図１０
(c))電流が流れる。 この状態はつぎにバイモルフ式圧電体108bにパルス電圧を印加する（手段２、図１０(b))まで保持される。

【００２２】さらにバイモルフ式圧電体108bにパルス電圧を印加（手段２、図１０(b))すると、固定接点層103
c、103dは閉成し（状態２、図１０(d))電流が流れる。
同様に、この状態２は手段１になるまで保持される。 以下、手段１、状態１、手段２、状態２、手段１が繰り返される。

【００２３】図１１は請求項２記載の圧電式リレーの分解斜視図、図１２は図１１の長手方向中心線であるＣ−
Ｃ線の断面図、図１３は図１１において、前記Ｃ−Ｃ線と平行しＣ−Ｃ線と離れたＤ−Ｄ線（Ｄ−Ｄ線はＣ−Ｃ
線と平行した線である) の断面図を示している。

【００２４】この発明においては請求項１記載の圧電式リレーのバイモルフ式圧電体の代わりに積層式圧電体を接点の開閉の切替駆動源として使用しており、圧電体の駆動の原理以外、リレーの動作原理は請求項１記載のものと同様である。

【００２５】図１４は積層式圧電体の外観斜視図である。 積層式圧電体111 は厚み方向に分極した複数(n、例えば本実施例では６枚) の圧電板（例えばPZT)401 とN
＋１枚（本実施例では７枚) の電極を積み重ねて一体化したもので、隣り合った圧電板では分極方向が互いに18
0 度異なっている。 各圧電板は電気的には並列接続されており、積層軸方向に生じる変位で可動片102 の可動部
102aを時計方向あるいは反時計方向に回転し、接点開閉の切り換えの駆動源としている。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、マイクロリレーの接点開閉の切り換えの駆動源として圧電力を用い、接点吸着の駆動源として永久磁石を用いるようにしているため、
従来に比較して大きな駆動力を得ることができ、接点力が大きくなり、リレーの安定性が増すとともに、ラッチ機能を有するため、消費電力を小さくすることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の分解斜視図である。

【図２】図１の長手方向中心線であるＡ−Ａ線の断面図である。

【図３】図１において、前記Ａ−Ａ線と平行しＡ−Ａ線と離れたＢ−Ｂ線（Ｂ−Ｂ線はＡ−Ａ線と平行した線である) の断面図である。

【図４】図２の製造過程を段階的に示す断面図である。

【図５】図４に引き続いて図２の製造過程を段階的に示す断面図である。

【図６】図５に引き続いて図２の製造過程を段階的に示す断面図である。

【図７】図３の製造過程を段階的に示す断面図である。

【図８】全体的に分かり易くするための製造工程説明図である。

【図９】バイモルフ式の圧電体の外観斜視図である。

【図１０】請求項１記載の圧電式リレーの入力信号、出力信号の例を示した図である。

【図１１】請求項２記載の圧電式リレーの分解斜視図である。

【図１２】図１１の長手方向中心線であるＣ−Ｃ線の断面図である。

【図１３】図１１において、前記Ｃ−Ｃ線と平行しＣ−
Ｃ線と離れたＤ−Ｄ線（Ｄ−Ｄ線はＣ−Ｃ線と平行した線である) の断面図である。

【図１４】積層式圧電体の外観斜視図である。

【図１５】静電式リレーの分解斜視図である。

【図１６】図１５のＥ−Ｅ線断面図である。

【符号の説明】

101 シリコン基板 102 ポリシリコン 103 固定接点層 104 バイモルフ式圧電体ホルダー 105 永久磁石ホルダー 106 可動接点層 107 磁性体 108 バイモルフ式圧電体 109 永久磁石 110 積層式圧電体ホルダー 111 積層式圧電体 301 圧電板 302 電極板 401 圧電板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 乾 哲也 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 太田 賢司 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内