【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 |
