【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】図８および図９は、それぞれ、従来の静電リレーをあらわす。 図８の静電リレー１５０は、固定側駆動電極を兼ねる固定側基体１５１，１５１と可動側駆動電極でもある可動板１５２とを備え、可動板１５２
が固定側基体１５１に対面した状態で接点が接離する変位が可能なように片端側で支持（片持支持）されている。 そして、固定側基体１５１の表面には固定接点１５
３が設けられ、可動板１５２には固定接点１５３に対面する位置に可動接点１５４が設けられていて、固定側基体１５１と可動板１５２の間への駆動電圧印加により生ずる静電力で可動接点１５４と固定接点１５３が接離するようになっている。 【０００３】ただ、この静電リレー１５０は、システム制御回路構築用の要素（素子）等に非常に有用ないわゆる単安定のシングルモードをとり難い。 また、静電リレー１５０では可動板１５２にエレクトレットを用い静電力を確保しようとしているのであるが、片持支持式可動板１５２に適切な変位を生起させるだけの必要かつ十分な静電力がなかなか得にくい。 【０００４】図９の静電リレー１６０は、固定接点１７
１および固定側駆動電極１７２を有する固定側絶縁基体１６１と、可動接点１７３および可動側駆動電極機能を有する可動板１６２とを備え、この可動板１６２が固定側絶縁基体１６１に対し対面した状態でシーソー運動可能に枠部１６３に支持され、可動接点１７３は固定接点１７１と対面するとともに、シーソー運動の支点１６５
の両側において固定側駆動電極１７２と可動側駆動電極である可動板１６２とが対面しており、両駆動電極への電圧印加により可動板１６２のシーソー運動が生起し接点１７１，１７３の接離がなされるようになっている。 【０００５】しかしながら、この静電リレー１５０も、
単安定のシングルモードがとり難く、それに、適切な変位を生起させるだけの必要かつ十分な静電力がなかなか得にくい。 駆動電圧を上げれば静電力が強まるが、接点間の距離が余り大きくとれないため駆動電圧を上げるには限度があるし使い難もなり、実用性が失われる。 接点間の距離を縮めても静電力が強まるが、接点間の耐圧が低下するため、やはり実用性が失われる。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】この発明は、前記事情に鑑み、シングルモード形態であって実用性を失わずに駆動電圧印加時に必要かつ十分な静電力を確保し易い構造の静電リレーを提供することを課題とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため、請求項１〜６記載の発明にかかる静電リレーは、固定接点および固定側駆動電極を有する固定側基体と、可動接点および可動側駆動電極を有する可動板とを備え、
この可動板が固定側基体に対し対面した状態でシーソー運動可能に配置され、可動接点はシーソー運動の支点からみて少なくとも一方の側において前記固定接点と対面するとともに、前記支点の両側において前記固定側駆動電極と可動側駆動電極が対面し、前記両駆動電極のいずれか一方には駆動電圧非印加時に可動板の一方の側を固定側に引き付けておくエレクトレットが設けられていて、前記駆動電極への駆動電圧を印加している間は前記可動板の他方の側が固定側に引き付けられるシーソー運動が可動板に生起するようになっているシングルモードをとっている。 【０００８】以下、この発明を具体的に説明する。 シングルモードをとる上でエレクトレットが非常に重要な役割を果たしているのであるが、シングルモードを実現させる具体的構成としては、請求項２〜４の発明では、シーソー運動の支点の両側に極性の異なるエレクトレットが設けられており、請求項２の場合、両エレクトレットの有する電荷量が異なることで可動板の一方の側の固定側への引き付けがなされ、請求項３の場合、両エレクトレットの体積が異なっていることで可動板の一方の側の固定側への引き付けがなされ、そして、請求項４の場合、両エレクトレットの可動側駆動電極に対する距離が異なることで可動板の一方の側の固定側への引き付けがなされる。 る。 この他、異なる極性のエレクトレットの厚みが異なることで可動板の一方の側の固定側への引き付けがなされる態様や、極性の異なるエレクトレットの静電力の絶対値は同じだが、シーソー運動の支点位置を可動板の中央からずらせることで可動板の一方の側の固定側への引き付けがなされる態様も挙げられる。 【０００９】エレクトレットは必ずしもシーソー運動の支点の両側にある必要はなく、請求項５のように、シーソー運動の支点の片側だけにエレクトレットが設けられているようであってもよい。 この発明において用いられる異なる極性のエレクトレットとしては、互いに逆方向に永久的に分極しているもの、あるいは、互いに逆極性の電荷を実質的に永久に有しているもの等が挙げられる。 そして、普通、各エレクトレットは固定側駆動電極の上に設けられている。 【００１０】可動側においては、可動板が導電性材料で出来ていれば、可動板に可動側駆動電極を兼ねさせることができるが、この場合は、可動板の表面に絶縁膜を設けて、この絶縁膜の上に可動接点を形成するようにする。 勿論、可動側駆動電極は可動接点と同様に絶縁膜の上に別に形成するようにしてもよい。 この場合は可動板は絶縁材料で出来ていてもよい。 【００１１】固定側においては、固定側基体の表面には絶縁膜を設け、この絶縁膜の上に固定側駆動電極と固定接点を形成するか、あるいは、固定側基体が導電性材料で出来ていれば、基体の一部または全部を使って固定側基体自体に固定側駆動電極を形成するとともに固定側基体の表面には絶縁膜を設け、この絶縁膜の上に固定接点を形成するようにしてもよい。 【００１２】静電リレーの場合は、駆動電圧の印加により駆動電極間に電荷が蓄積されるが、可動板を別の状態に素早く移行させるには前記印加電圧を除いた時に電荷を直ちに放電させる必要があり、この場合には放電回路が必要になる。 また、通常の電子回路では制御用の信号電圧は数Ｖ〜十数Ｖであるのに対し、静電リレーの駆動電圧は数十Ｖ程度であるため、数Ｖ〜十数Ｖの信号電圧を使おうとすると数十Ｖ程度に昇圧する昇圧回路がリレーの前段に必要となる。 【００１３】そのため、請求項６のように、例えば、固定側基体に駆動用回路部を設けておくことは非常に有用である。 駆動用回路部は放電回路と昇圧回路の両方を全て備えている必要はなく、いずれか一方の回路の全部または一部を備えるだけであってもよい。 また、駆動用回路部は固定側に限らず可動側、あるいは、可動側と固定側の両方にまたがって設けられていてもよい。 【００１４】固定側基体や可動板用基体には、シリコン単結晶基板等の半導体基板を用いることができる。 可動側については、シリコン単結晶基板の表裏両面に所定のパターンのマスクを設け、異方性エッチングを施すことにより、可動側電極を兼ねた可動板を有する可動側基体を作ることができる。 【００１５】固定側については、シリコン単結晶基板の表面に絶縁膜を形成し、その上に固定接点や固定側駆動電極（さらにはエレクトレット）を設けたりするが、シリコン単結晶基板であれば駆動用回路部を構成するトランジスタ、ダイオード等の半導体素子や抵抗、コンデンサ等のインピーダス素子が容易に作り込めるし、高濃度ドーピング層（普通は基板と逆導電型の不純物高濃度領域）を形成し、これを固定側駆動電極として利用することもできる。 【００１６】また、可動側基体や固定側基体の複数個分の面積をもつシリコン単結晶ウエハ（半導体ウエハ）を利用して、同時に複数個分の加工を行い、分断して複数個の可動側基体や固定側基体を同時に得るようにすることもできる。 さらには、複数個分の可動側基体を形成したシリコン単結晶ウエハと、複数個分の固定側基体を形成したシリコン単結晶ウエハとを結合してから、個別に分断するようにすれば非常に効率よく安価に製造できることになる。 【００１７】上記のシリコン単結晶ウエハの加工には通常の半導体装置製造で使われている微細加工技術やフォトリソグラフィ技術が応用できるため、非常に小型のものが大量かつ容易に作れるため、安価なものが量産できることになる。 【００１８】 【作用】この発明の静電リレーは、駆動電圧非印加時に可動板の一方の側を固定側に引き付けておくエレクトレットが設けられ、前記駆動電極への駆動電圧を印加している間は前記可動板の他方の側が固定側に引き付けられるシーソー運動が可動板に生起するようになっていて、
シングルモードで動作するため、システム制御回路構築の有力な要素などに使え非常に利用価値が高い。 【００１９】また、シーソー運動の支点の両側に異なる極性のエレクトレットを配するだけで、駆動電圧印加時に必要かつ十分な静電力を確保することができる。 極性の異なるエレクトレットが協同して可動板を移動させる静電力を生じるからである。 つまり、極性の異なるエレクトレットの一方がシーソー運動の支点の一方の側を持ち上げ、他方がシーソー運動の支点の他方の側を引き下げ、同じ向きにシーソー運動するように働くのである。 【００２０】エレクトレットの場合、小さくて十分に強力なものがあるため、駆動電圧を高くしたり、あるいは、接点間のギャップを小さくせずとも、必要かつ十分な静電力を発生させることが可能であるために、現実的であって非常に実用性が高くなる。 エレクトレットをシーソー運動の支点の片側だけに配する場合は、エレクトレットの数が１つですむという利点がある。 【００２１】図２は、異なる極性のエレクトレットにおいて帯電量の絶対値が異なる（＋エレクトレットが大）
場合の両駆動電極間の距離（トラベル）と静電力（可動側駆動電極にかかるトルク）およびバネ負荷の関係をあらわしたものである。 但し、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２では便宜上同じ向きで図示してある。 【００２２】両駆動電極の電位が等しければ、両駆動電極が互いに平行の場合、＋エレクトレットの静電力が−
エレクトレットの静電力に勝つので可動側駆動電極には＋エレクトレット側に傾こうとするトルクが働く。 一方、可動板を支えているトーションバネ力は平行状態の中立位置では０、いずれかの側が傾いている場合は、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。 【００２３】そこで、図２のように、＋エレクトレットの静電力だけがトーションバネ力より大きくなるように設定しておけば、両駆動電極に駆動電圧が印加されていない場合は常に可動板は＋エレクトレットの側に引き付けられた状態となる。 そして、可動側駆動電極にプラス電圧がかかれば、＋エレクトレットと可動側駆動電極の間には反発力が、−エレクトレットと可動側駆動電極の間には吸引力が生じ、可動板を−エレクトレットの側に傾ける反発力と吸引力を合わせた強いトルクが可動板にかかる。 【００２４】したがって、駆動電極にプラスの駆動電圧が印加されている間は、＋エレクトレットと可動側駆動電極の間には反発力が、−エレクトレットと可動側駆動電極の間には吸引力が生じ、可動板に＋エレクトレットの側から−エレクトレットの側へ傾くシーソー運動が起こり、−エレクトレットの側に引き付けられる。 駆動電圧を停止すると、＋エレクトレットの静電力が−エレクトレットのそれより勝っているため、自然に可動板は元の＋エレクトレットの側に引き付けられた状態に復帰する。 【００２５】このようにして、この発明の静電リレーは、シングルモードで動作するのである。 【００２６】 【実施例】以下、この発明の静電リレーの実施例を説明する。 この発明は、下記の実施例に限らない。 図１は実施例の静電リレーの要部構成をあらわす。 図３および図４は、実施例の静電リレーの可動板を設けた可動側基体をあらわし、図５は、実施例の静電リレーの固定側基体をあらわす。 【００２７】静電リレー１は、固定側基体２と可動側基体３を備える。 基体は、いずれもシリコン単結晶基板を用いている。 固定側基体２と可動側基体３が同一材料である場合には熱膨張係数が同一であるため、バイメタルのようなことはなく温度変化に対し安定である。 固定側基体２と可動側基体３は、金ないし金合金の金属層２
５、２６で接合され機械的・電気的に結合されている。
金属層２５、２６が合わさるように重ね適当な圧力をかけながら加熱すると金なしい金合金が共晶化して接合されるのである。 【００２８】固定側基体２は固定接点２１および固定側駆動電極１１を有している。 固定接点２１と固定側駆動電極１１は固定側基体２の表面の絶縁膜１０の上に形成されている。 可動側基体３は可動側駆動電極を兼ねる可動板１３と支持部（枠部）１２とを有し、可動板１３はトーションバネ１５でシーソー運動可能となるように支持部１２に支持されている。 可動側基体３は、シリコン単結晶基板に対し周辺部より異方性エッチング等を施し、溝１６を形成したり、可動板１３の固定側基体２に臨む側を接点ギャップを確保するために窪ませたりすることで作られている。 【００２９】この可動板１３はシーソー運動の支点Ｐであるトーションバネ１５の位置を境にして同じ大きさの右側片１３ａと左側片１３ｂがあってシーソー運動を行う。 そして、これら右側片１３ａと左側片１３ｂの端には可動接点２２が絶縁膜１４を介して固定接点２１と対面する位置に形成されている。 つまり、この静電リレー１では固定接点２１と可動接点２２がシーソー運動の支点Ｐからみて両方の側にあって接点は２組あるのである。 【００３０】可動板１３自体が兼ねている可動側駆動電極と固定側駆動電極１１はシーソー運動の支点Ｐの両側において対面するように設けられていて、固定側駆動電極１１の上には支点Ｐの右側に−エレクトレット８が設けられ、左側に＋エレクトレット９が設けられている。
この実施例の静電リレー１では＋エレクトレット９の方が−エレクトレット８よりも静電力が強い。 【００３１】したがって、可動板１３は、駆動電圧を印加しない状態（定常状態）では、＋エレクトレット９の側に引き付けられた状態となっているのであるが、図１
では便宜上水平の状態で示してある。 勿論、駆動電圧を印加している間は、可動板１３は、−エレクトレット８
の側に引き付けられ、駆動電圧を停止すると自然に＋エレクトレット９の側に引き付けられた状態に復帰する。 【００３２】必要な外部との電気的接続は、可動側基体３が固定側基体２よりやや小さくなっていて、固定側基体２の端に端子部がはみ出しているので、ここにワイヤボンディグするなどして実現する。 また、固定側基体２
に放電回路と昇圧回路の両方、あるいは、いずれか一方の回路の全部または一部を設ける場合、図６にみるように、シリコン単結晶基板の周辺に駆動用回路部３１を形成するようにする。 例えば、駆動用回路部３１の具体的なものとしては、図７にみるように、トランジスタ３
３、抵抗３４、ダイオード３５からなる放電回路が例示される。 また、昇圧回路を内蔵していると低い信号電圧で動作させられる。 【００３３】駆動用回路部を作り込む場合、不純物ドーピング工程があるので、ついでに固定側駆動電極用のドーピング領域３６を基板表面に作り込んでおけば、固定側駆動電極を後で形成する手間が省ける。 【００３４】 【発明の効果】以上に述べたように、この発明の静電リレーは、可動板の一方の側を固定側に引き付けておくエレクトレットを備えることによりシングルモードで動作するため利用価値が高く、シーソー運動の支点の両側に異なる極性のエレクトレットを配するだけで駆動電圧印加時に必要かつ十分な静電力を確保することができ、しかも、エレクトレットの場合、小さくて十分に強力なものがあるため、駆動電圧を高くしたり、あるいは、接点間のギャップを小さくせずとも、必要かつ十分な静電力を発生させられるので、現実的であって非常に実用性が高い。 【図面の簡単な説明】 【図１】実施例の静電リレーの要部構成をあらわす断面図である。 【図２】可動・固定の両駆動電極間の距離と静電力およびバネ負荷の関係をあらわすグラフである。 【図３】実施例の静電リレーの可動側基体の接点非形成面をあらわす斜視図である。 【図４】実施例の静電リレーの可動側基体の接点形成面をあらわす斜視図である。 【図５】実施例の静電リレーの固定側基体の接点形成面をあらわす斜視図である。 【図６】この発明の静電リレーの固定側基体の他の例の接点形成面をあらわす斜視図である。 【図７】この発明の静電リレーの固定側基体に設ける放電回路の構成例をあらわす電気回路図である。 【図８】従来の静電リレーの要部構成をあらわす一部破断斜視図である。 【図９】従来の他の静電リレーの要部構成をあらわす分解斜視図である。 【符号の説明】 １ 静電リレー ２ 固定側基体 ３ 可動側基体 ８ エレクトレット ９ エレクトレット １１ 固定側駆動電極 １３ 可動板 ２１ 固定接点 ２２ 可動接点 Ｐ シーソー運動の支点 ───────────────────────────────────────────────────── 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 |
