(57)【要約】【課題】  接点ギャップを大きくとることができるとともに、特に固定接点と可動接点との接離に関して信頼性の高い静電リレーを提供する。【解決手段】  本発明に係るマイクロリレー１０において、可動櫛歯電極２４が固定櫛歯電極１４の斜め上方に配置されることにより接点ギャップが大きくなる。また両電極間に所定電圧がかかったときは可動櫛歯電極２４は固定櫛歯電極１４に向かって斜め下方に動かされ、可動接点の接触面２８は固定接点の接触面１８ａ、１８ｂに対して摺動するように接触する。この摺動接触によっていわゆるワイピング効果が得られ、各接触面を常に清浄に保つことができる。【選択図】      図１
2006120449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触面を備えた固定接点と、固定電極と、該固定電極に対して離隔配置されて弾性支持される可動電極と、該可動電極に取付けられて前記固定接点の前記接触面に接離可能な接触面を備えた可動接点とを有する静電リレーにおいて、
前記固定電極は固定櫛歯を有し、前記可動電極は前記固定櫛歯が延びる方向について平行で逆向きかつ段差を有して延びる可動櫛歯を有し、前記固定電極と前記可動電極との間に所定の電圧が印加されたときに、前記可動電極は、前記固定櫛歯と前記可動櫛歯との間の、前記可動櫛歯が延びる方向への距離と前記段差との双方を縮小するように移動して、それにより前記固定接点と前記可動接点とが互いに接触することを特徴とする、静電リレー。
【請求項２】
前記可動電極の移動方向は、前記固定接点の接触面及び前記可動接点の接触面の少なくとも一方と斜角を形成する、請求項１に記載の静電リレー。
【請求項３】
前記可動電極の可動範囲を限定するためのストッパーをさらに有する、請求項１又は２に記載の静電リレー。
【請求項４】
固定接点と、固定電極と、該固定電極に対して離隔配置されて弾性支持される可動電極と、該可動電極に取付けられて前記固定接点に接離可能な可動接点とを有する静電リレーにおいて、
固定櫛歯を有する固定櫛歯電極をさらに有し、前記可動電極は前記固定櫛歯に対向可能な可動櫛歯と前記可動接点を備えた平行平板部を有し、前記可動電極は、接点閉成開始時に、前記固定電極と前記可動電極の前記平行平板部との間に作用する第１の静電吸引力、及び前記固定櫛歯電極の前記固定櫛歯と前記可動電極の前記可動櫛歯との間に作用する第２の静電吸引力の双方によって前記固定電極に向けて動かされることを特徴とする、静電リレー。
【請求項５】
前記第２の静電吸引力は、接点閉成時及び接点閉成中は該固定接点と該可動接点とを開離させる方向に作用する、請求項４に記載の静電リレー。
【請求項６】
前記固定接点、前記固定電極及び前記固定櫛歯電極は固定基板の上に配設され、前記固定櫛歯電極の前記固定櫛歯と前記固定基板との間に、前記固定接点及び前記固定電極よりも高さが高い絶縁層が設けられる、請求項５に記載の静電リレー。
【請求項７】
前記可動電極の前記平行平板部の厚さが該可動櫛歯の厚さよりも薄い、請求項４〜６のいずれか１項に記載の静電リレー。
【請求項８】
固定接点と、固定電極と、該固定電極に対して離隔配置されて弾性支持される可動電極と、該可動電極に取付けられて前記固定接点に接離可能な可動接点とを有する静電リレーにおいて、
前記可動電極は、少なくとも１つの固定端部と該固定端部に接続されるとともに前記可動接点を備えた可動ばね部とを有し、該可動ばね部はさらに複数の折返し部分を有し、前記固定端部と前記可動接点との間に少なくとも１つの前記折返し部分が配置されることを特徴とする、静電リレー。
【請求項９】
前記複数の折返し部分の少なくとも１つが切欠きを有する、請求項８に記載の静電リレー。
【請求項１０】
前記可動ばね部は２つの固定端部を両端に有し、前記可動接点は前記可動ばね部の略中央に配置され、前記２つの固定端部と前記可動接点とは略同一直線上に配置されず、前記可動ばね部は、該可動ばね部の略中央を前記可動接点の反対側から該可動接点付近まで延びるスリットを有する、請求項８又は９に記載の静電リレー。
【請求項１１】
前記可動電極を少なくとも２つ有し、該少なくとも２つの可動電極の可動接点は互いに隣接して配置され、前記可動接点の各々に接離可能な固定接点は共通端子によって互いに電気的に接続される、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の静電リレー。
【請求項１２】
リレー駆動部を密封するためのキャップ基板をさらに有する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の静電リレー。
【請求項１３】
前記固定電極及び前記可動電極の少なくとも一方の表面に形成された絶縁膜に略格子状の溝が設けられる、請求項４〜１２に記載の静電リレー。
【請求項１４】
少なくとも２組の固定接点を有する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の静電リレー。
【請求項１５】
前記可動電極がポリイミドを含む有機材料から作製される、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の静電リレー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電気力により作動する静電リレーに関し、特には小型の静電マイクロリレーに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電駆動型のマイクロリレーは、半導体微細加工技術を用いて作製された、電気信号及び高周波信号等の切替を行う超小型のリレーであり、静電吸引力を利用して可動接点と固定接点との接離を行う。このようなマイクロリレーの駆動方式としては、一般に板状の可動電極が片側でのみ可動に支持される片持ち梁式、両側で可動に支持される平行平板式、並びに可動電極及び固定電極の各々が互いに係合する櫛歯構造を有する櫛歯駆動式が一般的である。
【０００３】
静電リレーにおいては、静電吸引力は電極間の電圧の二乗に比例し、距離の二乗に反比例する。従って駆動電圧を小さく抑えようとすると、電極間距離は短くなり、固定電極及び可動電極がそれぞれ有する固定接点と可動接点との間の距離すなわち接点ギャップを大きくすることが難しい。しかしながら、リレーにおいて接点ギャップを大きくすることは、接点間の放電現象や高周波信号の漏れの抑制に関し有利であり、リレーの設計において非常に重要な要素である。
【０００４】
接点ギャップを大きくしかつ安定した接点接離を行う静電リレーを提供するために、例えば特許文献１には、固定電極及び可動電極の双方に櫛歯構造を設けた静電リレーが記載されている。この静電リレーは、可動電極が有する可動接点が基板に平行すなわち水平方向に可動であることにより固定接点に対して接離可能な構造を有し、櫛歯構造により静電吸引力を大きくすることができ、故に接点ギャップを大きくすることができる。一方、特許文献２には、可動接点を中心とする点対称の２つの箇所で可動基板を支持する静電マイクロリレーが記載されている。このリレーは、固定基板に当接可能な凸部を可動基板に設けることによって接点開離力を高め、安定した接点接離を行うものである。また特許文献３にも、可動基板にストッパーすなわち凸部を設けることによって、可動基板を支持するばね要素の反撥力を非線形的に変化させるＭＥＭＳ素子が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２５１８３４号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９０８１号公報
【特許文献３】特開２００２−３２６１９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
櫛歯駆動式リレーは、上述のように櫛歯構造によって対向電極の表面積を大きくすることにより高い静電吸引力が得られるので、接点ギャップを大きくすることができる。しかしながら、例えば特許文献１に記載のリレーは、可動電極が水平方向にのみ移動可能な構造であるため、固定接点及び可動接点は互いに突き当たるように接点閉成し、故に各接点の接触部位は常に同一となる。従って、頻繁に接点接離を繰り返す場合は特に、各接点の特定の部位のみが集中的に摩耗又は損傷し、接点の寿命が短くなってリレーの交換頻度が高くなるという問題がある。
【０００７】
一方、平行平板式リレーは一般に、可動電極すなわち可動板が固定電極に対し平行を維持したまま板面に垂直な方向に移動する構造であるため、可動電極を支持するばね等のばね定数を小さくすれば接点ギャップを大きくしかつ比較的小さな静電気力で電極を動かすことができる。しかし、ばね定数を小さくすると、機械的振動や外部ノイズによる誤動作が生じやすくなり、さらに接点開離時の開離力が小さくなるので接点間の粘着すなわちスティッキングが生じやすいという問題が生じる。従って接点ギャップをあまり大きくすることはできない。逆にばね定数を大きくすると、接点接離時にばね部にかかる応力が大きくなり、ばね部の寿命が短くなるという欠点がある。
【０００８】
また片持ち梁式のリレーは、構造が簡単であり製造が容易であるが、接点ギャップが同じであれば一般に他の構造より大きな静電気力を必要とするため、故に接点ギャップを大きくとることが難しい。さらに、接点接離時に梁の一部に応力が集中して可動電極の寿命が短くなる傾向がある。接点ギャップを大きくするために改良されたいくつかの片持ち梁式リレーがあるが、それらの多くは電極の構造が複雑となり、製造コストの上昇が懸念される。
【０００９】
従って本発明の目的は、上述の問題を解決し、接点ギャップを大きくとることができるとともに、特に固定接点と可動接点との接離に関して信頼性及び性能の高い静電リレーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、接触面を備えた固定接点と、固定電極と、該固定電極に対して離隔配置されて弾性支持される可動電極と、該可動電極に取付けられて前記固定接点の前記接触面に接離可能な接触面を備えた可動接点とを有する静電リレーにおいて、前記固定電極は固定櫛歯を有し、前記可動電極は前記固定櫛歯が延びる方向について平行で逆向きかつ段差を有して延びる可動櫛歯を有し、前記固定電極と前記可動電極との間に所定の電圧が印加されたときに、前記可動電極は、前記固定櫛歯と前記可動櫛歯との間の、前記可動櫛歯が延びる方向への距離と前記段差との双方を縮小するように移動して、それにより前記固定接点と前記可動接点とが互いに接触することを特徴とする、静電リレーを提供する。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の静電リレーにおいて、前記可動電極の移動方向は、前記固定接点の接触面及び前記可動接点の接触面の少なくとも一方と斜角を形成する、静電リレーを提供する。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の静電リレーにおいて、前記可動電極の移動範囲を限定するためのストッパーをさらに有する、静電リレーを提供する。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、固定接点と、固定電極と、該固定電極に対して離隔配置されて弾性支持される可動電極と、該可動電極に取付けられて前記固定接点に接離可能な可動接点とを有する静電リレーにおいて、固定櫛歯を有する固定櫛歯電極をさらに有し、前記可動電極は前記固定櫛歯に対向可能な可動櫛歯と前記可動接点を備えた平行平板部を有し、前記可動電極は、接点閉成開始時に、前記固定電極と前記可動電極の前記平行平板部との間に作用する第１の静電吸引力、及び前記固定櫛歯電極の前記固定櫛歯と前記可動電極の前記可動櫛歯との間に作用する第２の静電吸引力の双方によって前記固定電極に向けて動かされることを特徴とする、静電リレーを提供する。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の静電リレーにおいて、前記第２の静電吸引力は、接点閉成時及び接点閉成中は該固定接点と該可動接点とを開離させる方向に作用する、静電リレーを提供する。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の静電リレーにおいて、前記固定接点、前記固定電極及び前記固定櫛歯電極は固定基板の上に配設され、前記固定櫛歯電極の前記固定櫛歯と前記固定基板との間に、前記固定接点及び前記固定電極よりも高さが高い絶縁層が設けられる、静電リレーを提供する。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項４〜６のいずれか１項に記載の静電リレーにおいて、前記可動電極の前記平行平板部の厚さが該可動櫛歯の厚さよりも薄い、静電リレーを提供する。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、固定接点と、固定電極と、該固定電極に対して離隔配置されて弾性支持される可動電極と、該可動電極に取付けられて前記固定接点に接離可能な可動接点とを有する静電リレーにおいて、前記可動電極は、少なくとも１つの固定端部と該固定端部に接続されるとともに前記可動接点を備えた可動ばね部とを有し、該可動ばね部はさらに複数の折返し部分を有し、前記固定端部と前記可動接点との間に少なくとも１つの前記折返し部分が配置されることを特徴とする、静電リレーを提供する。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の静電リレーにおいて、前記複数の折返し部分の少なくとも１つが切欠きを有する、静電リレーを提供する。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載の静電リレーにおいて、前記可動ばね部は２つの固定端部を両端に有し、前記可動接点は前記可動ばね部の略中央に配置され、前記２つの固定端部と前記可動接点とは略同一直線上に配置されず、前記可動ばね部は、該可動ばね部の略中央を前記可動接点の反対側から該可動接点付近まで延びるスリットを有する、静電リレーを提供する。
【００２０】
請求項１１に記載の発明は、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の静電リレーにおいて、前記可動電極を少なくとも２つ有し、該少なくとも２つの可動電極の可動接点は互いに隣接して配置され、前記可動接点の各々に接離可能な固定接点は共通端子によって互いに電気的に接続される、静電リレーを提供する。
【００２１】
請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の静電リレーにおいて、リレー駆動部を密封するためのキャップ基板をさらに有する、静電リレーを提供する。
【００２２】
請求項１３に記載の発明は、請求項４〜１２のいずれか１項に記載の静電リレーにおいて、前記固定電極及び前記可動電極の少なくとも一方の表面に形成された絶縁膜に略格子状の溝が設けられる、静電リレーを提供する。
【００２３】
請求項１４に記載の発明は、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の静電リレーにおいて、少なくとも２組の固定接点を有する、静電リレーを提供する。
【００２４】
請求項１５に記載の発明は、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の静電リレーにおいて、前記可動電極がポリイミドを含む有機材料から作製される、静電リレーを提供する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、接点ギャップを大きくすることができるとともに、固定接点と可動接点とを摺動させてそれらを清浄に保つことができる構造を備えた静電リレーが提供される。
また本発明は、接点ギャップを大きくとることができるとともに、固定接点と可動接点との間の初期吸引力は高めつつも両接点の接触後の接触力は過剰にならないようにする構造を備えた静電リレーを提供する。
さらに本発明は、接点ギャップを大きくとることができるとともに、可動接点を有する可動電極にかかる応力を分散させてその耐久性を高める構造を備えた静電リレーを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。なお、以降の説明は本発明を大きく３つの実施形態に分けて行う。３つの実施形態はいずれも、接点ギャップを大きくすることができるとともに固定接点と可動接点との接離に関して信頼性及び性能の高い静電リレーを提供するものであるが、特に、第１の実施形態は固定接点と可動接点との接触面を清浄に維持することに関し、第２の実施形態は可動電極にかかる静電吸引力を適正化することに関し、第３の実施形態は可動接点を有する可動電極にかかる応力を適当に分散させることに関する。
【００２７】
図１（ａ）〜図２（ｂ）は、本発明に係る第１の実施形態の静電駆動型マイクロリレー１０の基本構造を示す。ここで図１（ａ）は接点開離時、図２（ａ）は接点閉成時の図であり、図１（ｂ）及び図２（ｂ）はそれぞれ、図１（ａ）及び図２（ａ）のｂ−ｂ線における断面図である。さらに図１（ｃ）は図１（ａ）の斜視図である。なお各図において、本発明と関係のない構成要素は省略されている。マイクロリレー１０は、シリコン又はガラス等の固定基板１２を有し、固定基板１２上には固定櫛歯を備えた固定電極すなわち固定櫛歯電極１４と、２つの固定接点１６ａ、１６ｂと、可動電極支持部２０とが配設される。マイクロリレー１０はさらに、固定櫛歯電極１４の固定櫛歯に対向可能な可動櫛歯を備えるとともに支持手段すなわちヒンジばね３０を介して可動電極支持部２０に可動に支持される可動電極すなわち可動櫛歯電極２４と、可動櫛歯電極２４に配設される可動接点２６とを有する。ヒンジばね３０は、固定櫛歯電極１４と可動櫛歯電極２４との間に所定の電圧がかかったときに可動櫛歯電極２４の可動接点２６が固定接点１６ａ、１６ｂの方向に静電吸引力によって移動して、固定接点１６ａ、１６ｂと可動接点２６とが接触できる（図２（ｂ）参照）ような剛性すなわちばね定数を有する。このヒンジばね３０の特徴は、接点開離時は可動櫛歯電極２４を固定櫛歯電極１４からみて両櫛歯の対向方向に関し斜め上方に支持することである。
【００２８】
図１（ａ）及び図２（ａ）に示す平面図で見たときは、固定櫛歯電極１４及び可動櫛歯電極２４は、従来の櫛歯電極と同様に、接点開離時は各々の櫛歯がその延びる方向に接点閉成時よりも離れて配置される。本実施形態においてはさらに、図１（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、接点開離時は両電極間に段差が生じ、すなわち可動櫛歯電極２４が固定櫛歯電極１４の斜め上方に位置するように支持される。換言すれば、可動櫛歯電極２４の櫛歯は固定櫛歯電極１４の櫛歯が延びる方向について平行、逆向きかつ段差を有して延び、固定櫛歯電極１４と可動櫛歯電極２４との間に所定の電圧が印加されたときに、可動櫛歯電極２４は、固定櫛歯と可動櫛歯との間の、可動櫛歯が延びる方向への距離と上記段差との双方を縮小するように（すなわち斜め下方に）移動して、それにより固定接点１６ａ、１６ｂと可動接点２６とが互いに接触する。従って接点開離時における固定接点１６ａ、１６ｂと可動接点２６との間の距離すなわち接点ギャップは、櫛歯電極が水平に移動するだけの従来の櫛歯駆動式リレーに比べて大きくすることができ、接点間の放電現象や高周波信号の漏れ等に関してより信頼性及び性能の高いリレーを提供することができる。また、接点開離状態での固定接点と可動接点の対向面積が小さくなるため、接点間静電容量が小さくなり、高周波信号の漏れがより少なくなる。
【００２９】
本発明に係るマイクロリレー１０において両電極間に所定電圧がかかったときは、可動櫛歯電極２４は、上述のように斜め下方（図１（ｂ）において左下方向）に動かされる。一方、固定接点１６ａ、１６ｂ及び可動接点２６の接触面１８ａ、１８ｂ及び２８の各々は図１（ｂ）のように略水平又は固定基板１２に対して略平行に延びるので、可動櫛歯電極２４の移動方向と各接触面とは斜角を形成することになり、故に可動接点の接触面２８は固定接点の接触面１８ａ、１８ｂに対して摺動するように接触することができる。この摺動接触によっていわゆるワイピング効果が得られ、各接触面が常に清浄に保たれる。またこの構造は、固定櫛歯電極１４に向かって移動する可動櫛歯電極２４のための案内手段等を特に有していないので、両接触面における接触部位は、当接毎に厳密には同一とはならない。従って、接触面の摩耗は特定部位に集中せずに適度に分布し、結果としてリレーの寿命を大きく延ばすことができる。
【００３０】
また図１（ａ）及び図２（ａ）に示されるように、可動櫛歯電極１４の可動範囲を限定するためのストッパー４０を例えば固定基板１２上にさらに配設することができる。電極間に生じる吸引力は接点の接触面とこのストッパー４０とに分散されるので、接触面１８ａ、１８ｂと接触面２８との間に過剰な接触力がかかることが防止され、各接触面の摩耗又は損傷の発生を抑制してリレーの寿命を高めることができる。
【００３１】
図３（ａ）及び（ｂ）並びに図４（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態の好適な第１の変形例を示す。上述の実施形態と異なる点は、固定接点１６ａ、１６ｂ及び可動接点２６の接触面１８ａ、１８ｂ及び２８が略水平ではなく略鉛直すなわち固定基板１２に対して略垂直に延びることである。この場合も、可動接点の接触面２６は固定接点の接触面１８ａ、１８ｂに対して摺動するように接触するので、図１（ａ）〜図２（ｂ）の実施形態と同様の効果が得られる。あるいは、接触面１８ａ、１８ｂ及び２８の延びる方向は、水平又は鉛直に限られず、接点閉成時に可動櫛歯電極２２が固定櫛歯電極１４に向かう方向に垂直でない他の方向であってもよい。垂直でなければある程度の接触面間の摺動が得られるからである。
【００３２】
図５（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態の第２の変形例を示す。第２の変形例においては、図５（ｂ）に示されるように２組の固定接点１６ａ、１６ｂ及び１７ａ、１７ｂが設けられ、トランスファ型接点構成（１ｃ接点構成）を形成する。可動櫛歯電極２４は、図５（ａ）に示されるように、各側に延びる２つの櫛歯構造を有し、可動接点２６が接点１６ａ及び１６ｂを閉成する場合、接点１７ａ及び１７ｂを閉成する場合、並びにいずれの組の接点も開離させる場合のいずれか１つを選択することができる。
【００３３】
次に図６（ａ）〜（ｉ）を参照して、本発明のマイクロリレーの基本構造部の作製方法について説明する。なお図６（ａ）〜（ｉ）は全て、図１（ｂ）と同方向からみた図である。
先ず、図６（ａ）に示されるように、シリコン又はガラス等の固定基板１２を用意し、その面上に金等の貴金属からなる固定接点１６ａ、１６ｂを形成する。
次に、図６（ｂ）に示されるように、固定接点を含む固定基板の面にフォトレジスト等の犠牲層５０を形成し、さらに、図６（ｃ）に示されるように、犠牲層５０の上に可動接点２６を形成する。
次に、図６（ｄ）に示されるように、犠牲層５０の再形成を行い、さらに犠牲層５０の一部を除去するパターニングを行う。
次に、図６（ｅ）に示されるように、固定基板１２及び犠牲層５０の上に、最終的に固定櫛歯電極１４及び可動櫛歯電極２４に形成される構造体層５２を形成する。構造体層５２の材料としては、一般に使用されるポリシリコン又はガラスが可能であるが、本発明においてはさらにポリイミド等の耐熱性の高い有機材料を使用することもでき、結果として熱に対する信頼性の高いリレーが得られる。なおポリイミド等の有機材料は、本実施形態に限らず本明細書にて説明される全ての実施形態における可動電極等の可動部材に適用可能である。
次に、図６（ｆ）に示されるように、構造体層５２の上に第１のマスク５４及び第２のマスク５６を形成し、それらの一部を除去するパターニングを行う。
次に、図６（ｇ）に示されるように、構造体層５２の不要部分（例えば櫛歯の隙間に相当する部分）を除去して複数（本実施例では２つ）の櫛歯構造体５２ａ、５２ｂが形成されるようにするエッチングを行い、続いて第１のマスク５４を除去する（図６（ｈ））。
次に、図６（ｉ）に示されるように、２つの櫛歯電極間に段差をもたせるためのエッチングを行い、構造体５２ａ、５２ｂの表面に導体を形成し、第２のマスク５６を除去し、最後に犠牲層５０を除去する。なお以上は作製方法の一例であり、厚膜めっきにて構造体を形成したり、シリコン基板等を深堀りエッチングしたりして作製してもよい。
【００３４】
次に、本発明に係る第２の実施形態のマイクロリレーの基本構造を説明する。第２の実施形態のマイクロリレー１１０は、基本的には平行平板式リレーであり、図７（ａ）及び（ｂ）に示されるように、シリコン又はガラス等の固定基板１１２、その上に設けられる固定電極１１３、２つの固定接点１１６ａ、１１６ｂ及び可動電極支持部１２０を有する。可動電極１２４は平行平板部１２４ａと、平行平板部１２４ａに配設される可動接点１２６とを有し、可動電極支持部１２０によって固定基板１１２に略垂直な方向すなわち上下方向に可動に支持される。このような構成により、固定電極１１３と可動電極１２４との間に所定の電圧がかかったときは、可動電極１２４の平行平板部１２４ａが固定接点１１６ａ、１１６ｂの方向に静電吸引力によって移動して、固定接点１１６ａ、１１６ｂと可動接点１２６とが接触する。
【００３５】
本発明に係るマイクロリレー１１０はさらに、固定基板１１２上に固定櫛歯電極１１４を有し、可動電極１２４はさらに、固定櫛歯電極１１４の櫛歯構造に係合可能な櫛歯構造部１２４ｂを有する。このように、平行平板式リレーにおいて、固定電極１１３以外に固定櫛歯電極１１４を設け、さらに固定櫛歯電極１１４に対向可能な櫛歯構造部１２４ａを可動電極１２４に設けることにより、上述の固定電極１１３と可動電極１２４の平行平板部１２４ａとの間にかかる吸引力だけでなく、固定櫛歯電極１１４と可動電極１２４の櫛歯構造部１２４ｂとの間にも吸引力を生じさせることができるので、可動電極１２４にかかる静電吸引力を単純な平行平板式リレーより有意に大きくすることができる。従って、可動電極１２４にかかる全体の静電吸引力が高くなることにより、接点ギャップを大きくすることができ、より性能の高いリレーを提供できる。
【００３６】
しかし一方、マイクロリレー１１０が櫛歯構造を備えることによって静電吸引力が高められると、接点閉成時に固定接点１１６ａ、１１６ｂ及び可動接点１２６にかかる衝突力並びに接点閉成中に接点間にかかる接触力も強くなり、これは各接点の損傷、摩耗及び接点間のスティッキング等の発生の可能性を高める。そこで第２のマイクロリレー１１０においてはさらに、図８（ａ）に示されるように、固定櫛歯電極１１４の櫛歯部分における固定基板１１２側の一部が絶縁層１１５又は空間を有する。この絶縁層１１５又は空間の高さは、固定電極１１３及び固定接点１１６ａ、１１６ｂの高さより高い。この構成により、接点閉成時の接点間の接触力が過剰になることを防止することができる。以下にその理由を述べる。
【００３７】
図８（ａ）は、図７（ａ）の８−８線に沿う断面において、接点開離時又は電極に電圧を印加した直後の状態すなわち接点閉成開始時を示す。可動電極１２４にかかる吸引力は主として、可動電極１２４の櫛歯構造部１２４ａと固定櫛歯電極１１４との間に生じる吸引力Ｆ１と、可動電極１２４の平行平板部１２４ｂと固定電極１１３との間に生じる吸引力Ｆ２とに分解されるが、図８（ａ）の状態では吸引力Ｆ１の方が大きい。従って可動電極１２４は、電圧印加直後は主として吸引力Ｆ１により下方に引き下げられる。
【００３８】
図８（ｂ）の状態において、吸引力Ｆ１は最大となる。従って可動電極１２４の櫛歯構造部１２４ａはこの状態に維持されようとするが、この状態では可動電極１２４の平行平板部１２４ｂと固定電極１１３とのギャップが図８（ａ）の状態よりも小さくなっているため吸引力Ｆ２も相当に大きくなっており、故に可動電極１２４は増大した吸引力Ｆ２によりさらに下方に引き下げられる。
【００３９】
図８（ｃ）の状態において吸引力Ｆ２は最大となり、接点閉成がなされる。しかし吸引力Ｆ１は、図８（ｂ）から（ｃ）に至る状態においては、可動電極１２４の櫛歯構造部１２４ａを図８（ｂ）の状態に戻そうとする方向すなわち上向きに作用する。従って、従来の平衡平板式リレーであれば接点閉成時及び接点閉成中（すなわち図８（ｃ）の状態）では吸引力Ｆ２により接点間に望ましくない強い衝突力及び接触力がかかるところであるが、本発明に係るマイクロリレー１１０においては、吸引力Ｆ１が上方向に作用するため、接点間にかかる衝突力及び接点閉成中の接点間の接触力は低減される。
【００４０】
すなわち櫛歯構造により生じる吸引力Ｆ１は、電圧印加直後すなわち接点閉成開始時においては可動電極１２４を下方に移動させる力となり、接点閉成時及び接点閉成中においては接点間にかかる過剰な衝突力及び接触力を低減させる上方向の力となる。前者により、接点ギャップをより大きくとることが可能になり、また後者により、接点の損傷や摩耗及び接点間のスティッキング等を防止するとともに接点の寿命を大きく延ばすことができる。
【００４１】
図９は、マイクロリレー１１０の第１の変形例を示す。この変形例の特徴は、可動電極１２４の平行平板部１２４ｂの厚さが櫛歯構造部１２４ａの厚さよりも薄いことである。このことにより可動電極１２４全体の軽量化が図れるので、接点閉成時に接点間にかかる衝突力を低減して損傷又は摩耗を生じにくくすることができ、さらに接点開離を容易にして誤動作を防止することもできる。
【００４２】
図１０は、マイクロリレー１１０の第２の変形例を示す。第２の変形例の特徴は可動電極１２４がその片側にのみ櫛歯構造部１２４ａを有することである。この構造の利点は、以下に述べるように接点間のワイピング効果が得られることである。
【００４３】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、図８（ａ）〜（ｃ）に類似する図１０の１１−１１線に沿う断面図である。図１１（ａ）の接点開離時において電圧が印加されると、図１１（ｂ）のように可動電極１２４の櫛歯構造部１２４ａが上述の吸引力Ｆ１により固定櫛歯電極１１４の櫛歯部分と略同一になるまで移動する。櫛歯構造部１２４ａは可動電極１２４の片側にのみ設けられるので、この状態において可動電極１２４は傾く。この傾いた状態からさらに吸引力Ｆ２により接点閉成がなされる（図１１（ｃ））ため、可動電極１２４の可動接点１２６は固定接点１１６ａ、１１６ｂに対して水平方向にいくらか摺動しながら接触することになる。故に接点間のワイピング効果が得られ、上述した第１の実施形態と同様に、接点の接触面を常に清浄に保つことができる。
【００４４】
図１２は、マイクロリレー１１０の第３の変形例を示す。第３の変形例の特徴は、第２の変形例と同様に可動電極１２４がその片側にのみ櫛歯構造部１２４ａを有することであるが、可動電極１２４の平行平板部１２４ｂ上における可動接点１２６の位置が第２の変形例とは異なる。より詳細には、図１２に示されるように、可動接点１２６は櫛歯構造部１２４ａとは反対側の平行平板部１２４ｂの端部付近に設けられる。このような構成によれば、接点閉成時における接点間のワイピング効果をさらに高めることができる。すなわち、図１３（ａ）〜（ｃ）に示されるように、電圧印加後から接点閉成までの可動電極１２４の挙動は図１１（ａ）〜（ｃ）に示される挙動と同様であるが、図１３（ａ）〜（ｃ）の変形例の方が櫛歯構造部１２４ａから可動接点１２６までの距離が長いため、接点閉成時の接点間の摺動距離がより長くなる。
【００４５】
図１４（ａ）〜（ｅ）は、図１０に示したマイクロリレー１１０の主要部の好適な作製方法を示す図である。
先ず図１４（ａ）に示されるように、シリコン、ガラス又はポリイミド等の、最終的に固定櫛歯電極１１４及び可動電極１２４に形成される材料１３０を用意し、可動電極１２４の下面に相当する部分を形成するために、材料１３０の一部をエッチング等により除去する。
次に、図１４（ｂ）に示されるように、エッチングにより一部が除去された材料１３０の面上に可動接点１２６を形成する。
次に、図１４（ｃ）に示されるように、固定電極（図示せず）、固定接点１１６ａ、１１６ｂ及び絶縁層１１５等が配設されたシリコン又はガラス等の固定基板１１２を用意し、上述の材料１３０を絶縁層１１５の上に接合する。
次に、図１４（ｄ）に示されるように、エッチング等により固定櫛歯電極１１４を形成する。
最後に、図１４（ｅ）に示されるように、可動電極１２４が固定櫛歯電極１１４に対して可動となるように材料１３０の一部をエッチング等により除去する。
【００４６】
次に、本発明に係る第３の実施形態のマイクロリレーの基本構造を説明する。第３の実施形態のマイクロリレー２１０は、図１５（ａ）及び（ｂ）に示されるように、シリコン又はガラス等の固定基板２１２、その上に設けられる固定電極２１４、２つの固定接点２１６ａ、２１６ｂを有し、さらに、可動接点２２６を略中央に備えた可動電極２２４を有する。可動電極２２４は、枠部２２５と、可動ばね部２２７とを有し、可動ばね部２２７は固定基板２１２に略垂直な方向すなわち上下方向に可動であるように枠部２２５の少なくとも１つ（本実施形態では２つ）の固定端部２２５ａ、２２５ｂに接続される。より詳細には可動ばね部２２７は、固定電極２１４と可動電極２２４との間に所定の電圧がかかったときに可動ばね部２２７に設けられた可動接点２２６が固定接点２１６ａ、２１６ｂの方向に静電吸引力によって移動して、固定接点２１６ａ、２１６ｂと可動接点２２６とが接触できるような剛性すなわちばね定数を有する。
【００４７】
さらに、図１５（ａ）に示されるように、可動電極２２４の可動ばね部２２７は、複数（図示例では７つ）の折返し部２２８ａ〜２２８ｇを有し、固定端部２２５ａ及び２２５ｂと可動接点２２６との間には少なくとも１つ（図示例ではそれぞれ３つ）の折返し部分が配置される。このような構成によれば、可動電極２２４の可動接点２２６が固定接点２１６ａ、２１６ｂに接するときは、折返し部２２８ａ〜２２８ｇの各々において撓みが生じるので、可動ばね部２２７の略中央にある可動接点の固定接点に対する変位量（すなわち接点ギャップ）は大きくとることができる。しかも、各折返し部の撓み量は比較的小さくてもよいので、結果として各折返し部にかかる応力（主として捩れ応力）は小さくできる。換言すれば、可動ばね部全体にかかる応力を複数の折返し部に分散することができる。なお図１５（ａ）には、可動ばね部２２７は複数の折返し部を有する形状の一例としてつづら折り又はラビリンス形状が示されているが、固定電極側に変位可能な部分を複数有して応力を分散できる他の形状であってもよい。
【００４８】
可動電極２２４は、図１６に示される第１の変形例のように、折返し部分に切欠き２３０を有してもよい。切欠き２３０を設けることにより、その折返し部分にかかる応力はさらに緩和される。特に、可動接点２２６が配設されている折返し部分２２８ｄに切欠きを設けることは、接点閉成時の可動接点の平衡性を保ちやすいという効果も有する。
【００４９】
図１７（ａ）及び図１８（ａ）はそれぞれ、マイクロリレー２１０の第２及び第３の変形例を示す。いずれの変形例も、図１５（ａ）の実施形態とは異なり、可動電極２２４の可動ばね部２２７が枠部２２５に１つの固定端部２２５ｃにて接続される片持ち式リレーである。ここで図１７（ａ）は固定端部２２５ｃと可動接点２２６とが同じ側（図１７（ａ）において上側）にあり、図１８（ａ）は固定端部２２５ｃと可動接点２２６とが対角線上にある変形例であるが、いずれの変形例も複数の折返し部を有するので、図１５（ａ）の実施形態と同様に可動ばね部にかかる応力を分散させることができる。なお図１７（ａ）及び図１８（ａ）の変形例においては、固定基板２１２上の固定接点２１６ａ及び２１６ｂはそれぞれ、例えば図１７（ｂ）及び図１８（ｂ）のように、可動接点の接触によって互いに導通するように形成される。
【００５０】
次に図１９（ａ）及び（ｂ）に示される第３の実施形態のマイクロリレーの第４の変形例においては、接点閉成時に、可動接点２２６が固定接点２１６ａ、２１６ｂに接する前に、可動ばね部２２７における可動接点２２６以外の部分を、固定電極２１４に接触させることができる。このような動作を可能にする可動電極２２４の構成の一例としては、可動ばね部２２７が枠部２２５に接続される固定端部２２５ａ、２２５ｂを各側に有し、可動接点２２６が可動ばね部２２７の略中央に配置され、２つの固定端部２２５ａ、２２５ｂと可動接点２２６とは略同一直線上に配置されず、さらに可動ばね部２２７は、可動ばね部２２７の略中央を可動接点２２６の反対側から可動接点２２６付近まで延びる欠落部すなわちスリット２３１を有する。このような構成によれば、可動ばね部２２７における可動接点２２６の反対側の端部にてスリット２３１に隣接する２つの部分、すなわち図１９（ａ）に示されるＡ部が、接点閉成時に可動接点２２６が固定接点２１６ａ、２１６ｂに接する前に固定電極２１４の一部に当接する。ただし、Ａ部とその固定電極２１４の一部とは絶縁されている。従ってＡ部は、接点開離時は言わばばねの支点となるので、図２０に示されるように、ばねの反撥力を非線形に変化させて接点開離力を高めることができる。上述の特許文献２又は３に記載の静電リレー又はＭＥＭＳ素子においても、ばねの反撥力を非線形に変化させて接点開離力を高めることができるが、凸部を可動板に別途設ける必要がある。これに対し本発明のマイクロリレーにおいては、可動電極の可動ばね部に高い寸法精度を特に必要としないスリットを設けるだけでよく、加工が容易であるとともに軽量化も図れるという長所がある。
【００５１】
図２１（ａ）及び（ｂ）は、第３の実施形態のマイクロリレーの第５の変形例を示す。第５の変形例においては、図２１（ａ）に示されるように２つの可動電極２２４ａ及び２２４ｂがそれぞれ可動接点２２６ａ及び２２６ｂを有し、さらに図２１（ｂ）に示されるように固定基板上に２組の固定接点２１６ａ、２１６ｂ及び２１７ａ、２１７ｂが設けられ、全体として１ｃ接点構成を形成することができる。固定接点２１６ａ及び２１７ａは、図示されるように共通端子２１６ｃによって互いに電気的に接続され、好ましくは共通端子２１６ｃの端部から互いに反対方向に延びる。２つの可動接点はそれぞれ独立して可動であり、多くの場合一方がＯＮで他方がＯＦＦという１ｃ接点として使用できる。ここで共通端子２１６ｃから固定接点２１６ａ及び２１７ａに至る２つの部分すなわち図２１（ｂ）に示されるＢ部は、接点がＯＦＦのときは信号ラインの不要なスタブすなわち突出部となり、マイクロリレーの主用途である高周波信号伝送に悪影響を及ぼす場合がある。本発明に係るマイクロリレーによれば、可動接点２２６ａ及び２２６ｂを互いに極力近接させて配置することができるので、上記悪影響が実質的に生じない程度までスタブを短くすることができ、高周波信号の伝送特性を向上させることができる。
【００５２】
第３の実施形態のマイクロリレーは、図２２（ａ）及び（ｂ）に示される第６の変形例のように、リレー駆動部を密封するためのキャップ基板２４０を有することができる。リレー内部（例えば固定電極、可動ばね及び信号ライン）への電気配線は、全て固定基板２１２を貫通するスルーホール（図示せず）により行うことができる。スルーホールは、固定基板２１２にエッチング等で開孔し、鍍金等により金属充填することにより形成される。またキャップ基板２４０、可動電極の枠部２２５及び固定基板２１２は、陽極接合、シリコン対シリコンの直接接合又は金属ろう付け等により接合可能である。リレー駆動部を密封することにより、接点及びばねに悪影響を及ぼす外部からの塵埃、ガス等の進入を防ぎ、信頼性及び性能を高くすることができる。また、図示していないが、前述の第１及び第２の実施形態についても密封構造を適用することができる。
【００５３】
図２３（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施形態のマイクロリレーの第７の変形例を示す。第７の変形例においては、図２３（ａ）に示されるように、固定基板２１２上の固定電極２１４の表面に形成された絶縁膜２５０に略格子状の溝２５２が設けられる。可動電極２２４の可動ばね部２２７は固定電極２１４に対し静電吸引力により近接するため、短絡防止のために可動ばね部２２７及び固定電極２１４の少なくとも一方の表面にシリコン酸化膜等の絶縁膜を形成する必要がある。本発明によれば、可動ばね部２２７固定電極２１４とが固着することを防止するために絶縁膜２５０に溝２５２を設けることにより、可動ばね部２２７と固定電極２１４との接触面積を小さくすることができる。なお溝２５２の底部は、図２３（ｂ）のように固定電極２１４の表面と一致してもよいし、図２３（ｃ）のように他の薄膜の絶縁層２５１をさらに有してもよい。なお図示はされていないが、可動電極の表面に絶縁膜を設け、その絶縁膜に上述の略格子状の溝を設けても同等の効果が得られる。
【００５４】
第３の実施形態において、可動ばね部の幅、長さ及び折返し数は、適宜変更することができる。また可動電極の材料としては例えば単結晶シリコン、ポリシリコン、金属又はプラスチックが可能である。可動電極材料としてプラスチック等の絶縁材料を使用する場合は金属等の電極を表面に形成することができ、逆に導電材料を使用する場合は可動接点との間に絶縁膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（ａ）本発明に係る第１の実施形態のマイクロリレーの接点開離時の基本構造を示す概略平面図であり、（ｂ）（ａ）のｂ−ｂ線における断面図であり、（ｃ）（ａ）における固定電極及び可動電極の斜視図である。
【図２】（ａ）図１（ａ）に類似するが接点閉成時を示す概略平面図であり、（ｂ）（ａ）のｂ−ｂ線における断面図である。
【図３】（ａ）第１の実施形態のマイクロリレーの第１の変形例の接点開離時の基本構造を示す概略平面図であり、（ｂ）（ａ）のｂ−ｂ線における断面図である。
【図４】（ａ）図３（ａ）に類似するが接点閉成時を示す概略平面図であり、（ｂ）（ａ）のｂ−ｂ線における断面図である。
【図５】（ａ）第１の実施形態のマイクロリレーの第２の変形例の基本構造を示す概略平面図であり、（ｂ）（ａ）において可動電極を除外した図である。
【図６】（ａ）第１の実施形態のマイクロリレーの主要部の作製方法において、固定接点の形成を示す図であり、（ｂ）犠牲層の形成を示す図であり、（ｃ）可動接点の形成を示す図であり、（ｄ）犠牲層の再形成及びパターニングを示す図であり、（ｅ）構造体の形成を示す図であり、（ｆ）マスク形成を示す図であり、（ｇ）櫛歯構造体の形成を示す図であり、（ｈ）マスクの除去を示す図であり、（ｉ）エッチング、マスク及び犠牲層の除去を示す図である。
【図７】（ａ）本発明に係る第２の実施形態のマイクロリレーの概略平面図であり、（ｂ）（ａ）において可動電極を除外した図である。
【図８】（ａ）図７（ａ）の８−８線に沿う断面図であって、接点閉成開始時を示す図であり、（ｂ）櫛歯構造部の静電吸引力が最大になる状態の図であり、（ｃ）接点閉成時を示す図である。
【図９】図８（ａ）に類似し、第２の実施形態のマイクロリレーの第１の変形例の概略部分断面図である。
【図１０】第２の実施形態のマイクロリレーの第２の変形例の概略平面図である。
【図１１】（ａ）図１０の１１−１１線に沿う断面図であって、接点開離時を示す図であり、（ｂ）櫛歯構造部の静電吸引力が最大になる状態の図であり、（ｃ）接点閉成時を示す図である。
【図１２】第２の実施形態のマイクロリレーの第３の変形例の概略平面図である。
【図１３】（ａ）図１２の１３−１３線に沿う断面図であって、接点開離時を示す図であり、（ｂ）櫛歯構造部の静電吸引力が最大になる状態の図であり、（ｃ）接点閉成時を示す図である。
【図１４】（ａ）第２の実施形態のマイクロリレーの主要部の作製方法において、エッチングによる材料の一部の除去を示す図であり、（ｂ）可動接点の形成を示す図であり、（ｃ）固定基板と上記材料との接合を示す図であり、（ｄ）固定櫛歯電極の形成を示す図であり、（ｅ）可動電極の形成を示す図である。
【図１５】（ａ）本発明に係る第３の実施形態のマイクロリレーの概略分解斜視図であり、（ｂ）（ａ）のマイクロリレーの概略断面図である。
【図１６】第３の実施形態のマイクロリレーの第１の変形例の可動電極を示す概略斜視図である。
【図１７】（ａ）第３の実施形態のマイクロリレーの第２の変形例の可動電極を示す概略平面図であり、（ｂ）（ａ）のマイクロリレーの固定電極を示す概略平面図である。
【図１８】（ａ）第３の実施形態のマイクロリレーの第３の変形例の可動電極を示す概略平面図であり、（ｂ）（ａ）のマイクロリレーの固定電極を示す概略平面図である。
【図１９】（ａ）第３の実施形態のマイクロリレーの第４の変形例の可動電極を示す概略平面図であり、（ｂ）（ａ）のマイクロリレーの固定電極を示す概略平面図である。
【図２０】第３の実施形態のマイクロリレーの第４の変形例において、接点ギャップと、接点間の静電吸引力及び非線形に変化する可動ばねの接点開離力との関係の傾向を示すグラフである。
【図２１】（ａ）第３の実施形態のマイクロリレーの第５の変形例の可動電極を示す概略平面図であり、（ｂ）（ａ）のマイクロリレーの固定電極を示す概略平面図である。
【図２２】（ａ）第３の実施形態のマイクロリレーの第６の変形例を示す概略分解斜視図であり、（ｂ）（ａ）のマイクロリレーの概略断面図である。
【図２３】（ａ）第３の実施形態のマイクロリレーの第７の変形例の固定電極を示す概略斜視図であり、（ｂ）（ａ）の固定電極の部分断面図であり、（ｃ）（ｂ）の変形例を示すである。
【符号の説明】
【００５６】
１０、１１０、２１０…マイクロリレー
１２、１１２、２１２…固定基板
１４、１１４、２１４…固定電極
１６、１１６、２１６…固定接点
２４、１２４、２２４…可動電極
２６、１２６、２２６…可動接点
３０…ヒンジばね
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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