(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に前記基板との空隙を持って保持された両持ち梁状のねじれ弾性部と、
前記基板と対向するように前記ねじれ弾性部に交差して支持され前記ねじれ弾性部から両側に延長し、各側において枠形形状を成している、前記ねじれ弾性部のねじれ弾性変形により回転自在な可動構造部と、
前記可動構造部の各枠形形状の内部に位置するように前記可動構造部の回転支点の両側に、それぞれ前記ねじれ弾性部と平行な軸を有し各枠形形状の内部において前記ねじれ弾性部側、又は前記ねじれ弾性部と反対側、の端部に位置する弾性連絡部を介して、前記弾性連絡部の弾性変形により前記可動構造部と独立して回転自在となるように前記可動構造部に連結された可動電極部と、
前記可動電極部で構成されるか前記可動電極部に設けられた可動電極と、
前記可動電極に対向するように前記基板上にそれぞれ配置された固定電極と、
前記可動構造部の少なくとも一方の側で、前記可動構造部の前記ねじれ弾性部とは反対側の端部に配置された少なくとも１個の可動接点と、
前記可動接点に接触可能に対向するように前記基板上に配置された固定接点とを備えたことを特徴とする静電リレー。
【請求項２】
前記可動電極部の可動端部が、前記可動構造部の前記回転支点側に配置されている請求項１記載の静電リレー。
【請求項３】
前記可動電極部の可動端部が、前記可動構造部の前記可動接点側に配置されている請求項１記載の静電リレー。
【請求項４】
前記弾性連絡部の弾性率が前記両持ち梁状のねじれ弾性部の弾性率よりも小さい請求項１から３のいずれか記載の静電リレー。
【請求項５】
前記可動電極と前記固定電極との間に誘電体層が介在している請求項１から４のいずれか記載の静電リレー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電引力を利用する静電アクチュエーターを、駆動源として用いた静電リレーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電リレーは、従来の電磁石を利用した電磁式リレーと異なり、静電引力を駆動力として接点の開閉を行うリレーであり、電磁力を発生するためのコイルが不要で機械部品が少なく、小型化が可能であること、及び本質的にコンデンサーである静電アクチュエーターを駆動源として用いるため、低消費電力であるという特徴があり、実用化に向けて研究が進められている。
【０００３】
このような、静電リレーとしては、例えば特開平２−１００２２４号公報にあるように、単結晶Ｓｉを選択エッチングによりトーションバー弾性体とそれに接続されたシーソー状構造体とを形成し、その構造体に静電アクチュエーターの可動電極とリレーの可動接点とを形成して、それぞれに対向する位置に固定電極と固定接点とを設けた電気絶縁性基板上にスペーサーを介して配置したものがある。
【０００４】
この静電リレーは、動作時に固定電極と可動電極間に電圧を印加することにより、トーションバー弾性体のねじれによって、電圧が印加された側のシーソー状構造体が回転運動を行い可動接点を固定接点に接触させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような、従来の静電リレーでは、可動接点と固定接点の組からなるリレー接点を開く時と閉じる時に、以下に記すような問題点があった。
【０００６】
まず、リレー接点を閉じる場合、従来の静電リレーでは目的の接点側のシーソー状構造体に配置してある静電アクチュエーターの可動電極と基板側固定電極の間に電圧を印加し、その両電極間に働く静電引力により、トーションバー弾性体を回転支点にして、シーソー状構造体をシーソー運動させ、可動接点を固定接点に接触させることにより接点を閉じる。
【０００７】
このように、従来の静電リレーは、可動電極が可動接点と一体となって動作するシーソー状構造体に形成されるため、可動接点が固定接点に接触し、シーソー状構造体の回転運動が停止した時点で、固定電極と可動電極との間に厚みの大きな梁状のエアギャップが生じる。
【０００８】
ところが静電引力は電極間隔の逆自乗に比例する。従って、静電アクチュエーターは吸引動作時でもこの大きなエアギャップのため静電引力が小さくなってしまう。このため接点に十分な圧力がかからないため接点抵抗を十分小さくすることができず、実用性が低下する。
【０００９】
更に、接点抵抗が高いと、接点が接点電流を流したときのジュール熱のために過熱し、接点溶着現象を起こしやすい。高い接点抵抗を下げるために動作電圧を高くして、接点圧力を増大することは静電リレーの実用性を著しく妨げることになった。
【００１０】
次にリレー接点を開く場合の問題点がある。
【００１１】
すなわち、リレー接点を開く場合は可動接点と固定接点を引き離さねばならないのであるが、この場合は静電アクチュエーターの固定、可動電極間を電気的に短絡し、電極間の静電引力をゼロにする。これにより、シーソー状構造体を回転可能に支持しているトーションバー弾性体の復元力が働き、可動接点が持ち上げられ、固定接点との接触が断たれる。
【００１２】
このように、従来の静電リレーでは、リレー接点を開く場合、ねじれ弾性体としてのトーションバー弾性体の復元力のみがその引き離し力であり、大きな接点電流を流し接点が溶着した場合、接点を強制的に引き離す力が不足してしまう。
【００１３】
このような事態を避けるためには、トーションバー弾性体の復元力を強くすればよいが、その場合、リレー接点を閉じるために必要な力も増大するため、静電リレーに印加する電圧を増加させねばならず、静電リレーの実用性が著しく低下してしまう。
【００１４】
そこで、リレー接点を開く力を増大させる方法として、静電リレーのシーソー状構造体の、閉じている接点と反対側の静電アクチュエーター（以後、反対極と称する）の固定、可動電極間に電圧を印加して静電引力を発生させ、接点を閉じている構造体側を持ち上げる力を発生させることが考えられる。
【００１５】
ところが反対極の静電アクチュエーターの可動電極は、持ち上げられているため、固定電極との間隔が開いている。
【００１６】
シーソー状構造体を回転させる力はてこの力になるため、回転中心軸からの距離とその位置での引力との積になるが、回転中心軸から離れた位置ほど固定電極と可動電極の間隔が開き、そこで働く静電引力は電極間隔の逆自乗に比例するため、結果的に反対極の静電アクチュエーターの引力は著しく小さくなってしまい、接点を引き離す力に十分寄与することができない。このため、結局反対極に印加する電圧を大きくする以外に、リレー接点の引き離し力を強めることは困難であった。
【００１７】
以上のように、従来の静電リレーでは、接点を閉じたときの接点抵抗が高く、接点溶着現象を起こしやすい。更に接点を引き離す力が弱いため、いったん接点が溶着してしまうとそのまま接点溶着故障を起こしてしまう。このため、十分な接点電流を確保することが難しく、信頼性が低く、実用性が乏しい。この問題を解決するためには、静電リレーを駆動する電圧を大きくするしかなく、その高い動作電圧は静電リレーの実用性を著しく阻害していた。
【００１８】
本発明は、上記の点に鑑み、低電圧駆動、低接点抵抗、高接点容量の実用性の高い静電リレーを提供することを目的とする。
【００１９】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の静電リレーは、
基板と、
前記基板上に前記基板との空隙を持って保持された両持ち梁状のねじれ弾性部と、
前記基板と対向するように前記ねじれ弾性部に交差して支持され前記ねじれ弾性部から両側に延長し、各側において枠形形状を成している、前記ねじれ弾性部のねじれ弾性変形により回転自在な可動構造部と、
前記可動構造部の各枠形形状の内部に位置するように前記可動構造部の回転支点の両側に、それぞれ前記ねじれ弾性部と平行な軸を有し各枠形形状の内部において前記ねじれ弾性部側、又は前記ねじれ弾性部と反対側、の端部に位置する弾性連絡部を介して、前記弾性連絡部の弾性変形により前記可動構造部と独立して回転自在となるように前記可動構造部に連結された可動電極部と、
前記可動電極部で構成されるか前記可動電極部に設けられた可動電極と、
前記可動電極に対向するように前記基板上にそれぞれ配置された固定電極と、
前記可動構造部の少なくとも一方の側で、前記可動構造部の前記ねじれ弾性部とは反対側の端部に配置された少なくとも１個の可動接点と、
前記可動接点に接触可能に対向するように前記基板上に配置された固定接点とを備えた構成としている。
【００２１】
前記静電リレーにおいて、前記可動電極部の可動端部が、前記可動構造部の前記回転支点側に配置されているとよい。
【００２２】
前記可動電極部の可動端部が、前記可動構造部の前記可動接点側に配置されているとよい。
前記弾性連絡部の弾性率が前記両持ち梁状のねじれ弾性部の弾性率よりも小さいとよい。
【００２３】
前記可動電極と前記固定電極との間に誘電体層が介在しているとよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る静電リレーの実施の形態を図面に従って説明する。
【００２５】
図１乃至図７は本発明に係る静電リレーの第１の実施の形態であって、図１は平面図、図２乃至図７は動作説明のための正断面図である。これらの図において、静電リレーは、絶縁性基板１と、基板１上に立設、固定されたアンカー構造体２と、アンカー構造体２で基板１から空隙を持って保持された両持ち梁状のねじれ弾性部３と、ねじれ弾性部３による弾性支持によって回転（回動）自在なリレー構造体７を具備している。この構成により、リレー構造体７は、ねじれ弾性部３を回転支点Ｐとして回転自在に保持されるとともに、ねじれ弾性部３に交差して前記回転支点Ｐの両側に延長したシーソー状構造体をなしているから、シーソー運動可能となっている。
【００２６】
前記絶縁性基板１は少なくとも表面が絶縁処理されているもので、例えば表面にＳｉＯ２絶縁層を設けた単結晶Ｓｉ基板等である。アンカー構造体２、両持ち梁状のねじれ弾性部３、リレー構造体７の３者は多結晶Ｓｉ等により一体に形成されている。
【００２７】
リレー構造体７はシーソー運動を行う所要の剛性の可動構造部（リレー構造体の本体部）１０を有し、左側に弾性連絡部としての両持ち梁状のねじれ弾性部１１Ｌ及び該ねじれ弾性部１１Ｌを介して可動構造部１０につながった可動電極支持部１２Ｌ（可動電極を設ける可動電極部である）が形成され、可動構造部１０の回転支点Ｐについて対称的に右側の両持ち梁状のねじれ弾性部１１Ｒ及び可動電極支持部１２Ｒ（可動電極を設ける可動電極部である）が形成されている。そして、これらの両持ち梁状のねじれ弾性部１１Ｌ，１１Ｒにより可動電極支持部１２Ｌ，１２Ｒが回転（回動）自在に支持される。ここでは、両持ち梁状のねじれ弾性部１１Ｌ，１１Ｒが可動構造部１０の回転支点Ｐ寄り位置に形成され、可動電極支持部１２Ｌ，１２Ｒの可動端部が可動構造部１０の回転支点Ｐから離れた位置となっている。可動電極支持部１２Ｌ，１２Ｒは両持ち梁状のねじれ弾性部１１Ｌ，１１Ｒの位置がそれぞれ回転支点Ｌ，Ｒとなっている。また、両持ち梁状のねじれ弾性部１１Ｌ，１１Ｒのねじれ弾性率を、両持ち梁状のねじれ弾性部３より小さく、すなわち可動電極支持部１２Ｌ，１２Ｒが、可動構造部１０と比較してより小さい力で回転可能なように設定しておく。
【００２８】
前記可動電極支持部１２Ｌ，１２Ｒの基板１に対向する側には可動電極１３Ｌ，１３Ｒがそれぞれ形成され、基板１上にはそれぞれの可動電極に対向する位置に固定電極４Ｌ，４Ｒが固定配置され、図２の如くそれら固定電極表面を被覆するように絶縁層（誘電体層）５Ｌ，５Ｒが設けられている。
【００２９】
リレー構造体７の本体部をなす可動構造部１０の両端部には可動接点支持部１４Ｌ，１４Ｒが一体に形成され、該可動接点支持部１４Ｌ，１４Ｒの基板に対向する面に可動接点１５Ｌ，１５Ｒが形成配置され、基板１上にはそれぞれの可動接点に対向する位置に固定接点６Ｌ，６Ｒが固定配置される。
【００３０】
絶縁性基板１上に固定された固定電極４Ｌ，４Ｒと可動電極支持部１２Ｌ，１２Ｒに固定された可動電極１３Ｌ，１３Ｒとは両者間に印加された電圧により静電引力を発生する静電アクチュエーターを構成する部分であり、固定電極４Ｌ，４Ｒと可動電極１３Ｌ，１３Ｒとは図示しない配線により外部電源に接続される。
【００３１】
第１の実施の形態で示した静電リレーの動作原理を説明する。まず、最初に、リレー接点を閉じる動作から説明する。
【００３２】
図２は非動作状態（電圧を印加しない状態）での各電極及び各接点の位置を示し、固定接点６Ｌ，６Ｒ、可動接点１５Ｌ，１５Ｒ間は開いている。右側静電アクチュエーターを構成する固定電極４Ｒと可動電極１３Ｒ間に電圧を印加すれば、両電極間には静電引力が発生し、可動電極支持部１２Ｒが回転支点Ｒを中心として両持ち梁状のねじれ弾性部１１Ｒのねじれ弾性により回転し、図３のように可動電極支持部１２Ｒが基板１側に対し接触位置まで変移する（可動電極１３Ｒが固定電極４Ｒを被覆した絶縁層５Ｒに当たるまで変移する。）。静電アクチュエーターの固定電極と可動電極間に働く静電引力は、距離の自乗に逆比例する。従って、図３からも明らかなように、くさび形状のエアギャップを持つ形で間隔を狭められた固定電極４Ｒと可動電極１３Ｒの間には著しく大きな静電引力が発生し、このくさび形状のエアギャップを狭める大きな引力が発生し、図４に示すように、リレー構造体７の本体部をなす可動構造部１０自体を回転支点Ｐを回転中心として右側に回転させ、可動接点１５Ｒと固定接点６Ｒを接触させ、リレー接点を閉じる。
【００３３】
リレー接点が閉じた状態では図４に示すように、可動電極１３Ｒと固定電極４Ｒとの間のくさび形状のエアギャップはより間隔を狭められるため、強い接点圧力が得られる。
【００３４】
このように、本発明に係る第１の実施の形態の静電リレーでは、まず、弱い力で回転動作する可動電極支持部１２Ｒが、静電アクチュエーターへの電圧印加当初の、静電アクチュエーター電極間隔が大きく、静電引力が小さい段階で動作し、電極間隔を狭める。狭まった電極間隔により、静電アクチュエーター電極間に著しく強い力が発生し、その力でリレー構造体７の本体部、つまり可動電極支持部の外側の枠状部分である可動構造部１０を回転支点Ｐを中心として回転させ、リレー接点を閉じ、接点間により強い圧力を印加することができる。
【００３５】
このため、従来の静電リレーと比較して同じ動作電圧で用いる場合、接点抵抗を低くすることが可能である。さらに接点を閉じる段階でより強い引力が得られるため、リレー構造体７を支持する両持ち梁状のねじれ弾性部３の弾性率をより大きくすることが可能であり、接点の固着が発生した場合の引き剥がしが容易となる。
【００３６】
すなわち、従来の静電リレーと比較して、同一電圧で動作させる場合、接点固着の故障が少なく、より大きな接点電流を流すことが可能となる。また、逆に、従来の静電リレーと同一の接点容量の場合、より低い動作電圧で駆動することが可能となる。
【００３７】
次に、リレー接点を開く動作を説明する。
【００３８】
図５は、図４のリレー接点オンの動作後、右側静電アクチュエーターの電極同士を短絡（同電位）とし、右側静電引力をゼロとした状態を示す。この状態で、接点６Ｒ，１５Ｒを引き剥がす力は、リレー構造体７の本体部をなす可動構造部１０を弾性支持している両持ち梁状ねじれ弾性体３の弾性率による復元力のみとなる。
【００３９】
ここで、もし、接点６Ｒ，１５Ｒ間の固着力が、この復元力より大きければ、静電リレーの接点は開かず、接点固着故障となる。
【００４０】
従来の静電リレーでは、このような場合、左側静電アクチュエーターの電極間に電圧を加え、リレー構造体を左側にシーソー動作させることで右側接点を引き剥がす力を発生させる方法が考えられる。
【００４１】
ところが、その場合、図５から明らかなように、左側静電アクチュエーターの可動電極１３Ｌは右側に可動構造部１０が傾き、図２の非動作時と比較して大きく固定電極４Ｌから離れているため、十分な静電引力を発生できず、結果的に右側接点６Ｒ，１５Ｒの固着を引き剥がすのに十分な力を発生することができない。
【００４２】
しかし、本発明の第１の実施の形態では、図５の状態で、左側静電アクチュエーターの可動電極１３Ｌと固定電極４Ｌ間に電圧を印加すれば、図６に示すように、弱い力で回転動作可能な可動電極支持部１２Ｌが回転支点Ｌを中心として回転し、可動電極支持部１２Ｌが基板１側に対し接触位置まで変移する（可動電極１３Ｌが固定電極４Ｌを被覆した絶縁層５Ｌに当たるまで変移する。）。
【００４３】
静電アクチュエーターの固定電極と可動電極間に働く静電引力は、距離の自乗に逆比例するため、くさび形状のエアギャップの形で間隔を狭められた可動電極１３Ｌと固定電極４Ｌの間には著しく大きな静電引力が発生し、このくさび形状のエアギャップを狭める大きな引力が発生する。
【００４４】
この大きい静電引力は、リレー構造体７の本体部をなす可動構造部１０を強い力で左側に回転させ、固着していた右側の可動接点１５Ｒと固定接点６Ｒを図７のように十分に強い力で引き剥がすことが可能となる。
【００４５】
この第１の実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。
【００４６】
(1)  可動構造部１０の回転支点Ｐの両側に設けられた可動電極支持部１２Ｌ，１２Ｒが弾性連絡部としての両持ち梁状のねじれ弾性部１１Ｌ，１１Ｒで回転自在に可動構造部１０に接続する構造であり、左右いずれかの固定電極、可動電極間に電圧を印加して左右いずれかの静電アクチュエーターを作動させた場合、まず可動電極支持部が基板側に近接する方向に動いて固定、可動電極間の距離を縮める働きをするから、低電圧駆動であっても十分な接点圧力でリレー接点をオンにすることができる。
【００４７】
(2)  また、リレー接点をオフとするとき、例え接点が溶着現象を起こした場合も、溶着側接点と反対側の静電アクチュエーターに電圧を印加すれば、従来の静電リレーと比較して大きな引き剥がし力を発生することが可能であり、接点溶着故障を避けることが可能となる。
【００４８】
(3)  固定電極４Ｌ，４Ｒを絶縁層５Ｌ，５Ｒで覆っており、固定電極４Ｌ，４Ｒ、可動電極１３Ｌ，１３Ｒが直接接触する短絡事故を確実に防止できる。なお、固定電極４Ｌ，４Ｒ、可動電極１３Ｌ，１３Ｒ間に絶縁層５Ｌ，５Ｒが介在しても、絶縁層５Ｌ，５Ｒは空気に比べて誘電率の高い誘電体であり、絶縁層５Ｌ，５Ｒの存在による静電引力の低下は考えなくてよい（無視できる。）。
【００４９】
(4)  これらの結果、低電圧駆動、低接点抵抗、高接点容量の実用性の高い静電リレーを実現可能である。
【００５０】
図８乃至図１４は本発明に係る静電リレーの第２の実施の形態であって、図８は平面図、図９乃至図１４は動作説明のための正断面図である。これらの図において、リレー構造体７Ａには、左側に弾性連絡部としての両持ち梁状のねじれ弾性部２１Ｌ及び該ねじれ弾性部２１Ｌを介して可動構造部１０Ａ（リレー構造体７Ａの本体部）につながった可動電極支持部２２Ｌが形成され、リレー構造体７Ａの本体部である可動構造部１０Ａの回転支点Ｐについて対称的に右側の両持ち梁状のねじれ弾性部２１Ｒ及び可動電極支持部２２Ｒが形成されている。そして、これらの両持ち梁状のねじれ弾性部２１Ｌ，２１Ｒにより可動電極支持部２２Ｌ，２２Ｒが回転自在に支持される。但し、第１の実施の形態とは異なり両持ち梁状のねじれ弾性部２１Ｌ，２１Ｒが可動構造部１０Ａの両端寄り位置に形成され、可動電極支持部２２Ｌ，２２Ｒの可動端部が回転支点Ｐ側位置となっている。可動電極支持部２２Ｌ，２２Ｒは両持ち梁状のねじれ弾性部２１Ｌ，２１Ｒの位置がそれぞれ回転支点Ｌ，Ｒとなっている。また、両持ち梁状のねじれ弾性部２１Ｌ，２１Ｒのねじれ弾性率を、両持ち梁状のねじれ弾性部３と同等以下、すなわち可動電極支持部２２Ｌ，２２Ｒが、可動構造部１０Ａと比較して同等以下の力で回転可能なように設定しておく。
【００５１】
前記可動電極支持部２２Ｌ，２２Ｒの基板１に対向する側には可動電極２３Ｌ，２３Ｒがそれぞれ形成され、基板１上にはそれぞれの可動電極に対向する位置に固定電極４Ｌ，４Ｒが固定配置され、それら固定電極表面を被覆するように絶縁層（誘電体層）５Ｌ，５Ｒが設けられている。可動構造部１０Ａ両端部の可動接点支持部１４Ｌ，１４Ｒの基板に対向する面に可動接点１５Ｌ，１５Ｒが形成配置され、基板１上にはそれぞれの可動接点に対向する位置に固定接点６Ｌ，６Ｒが固定配置される。その他の構成部分は前述した第１の実施の形態と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００５２】
第２の実施の形態で示した静電リレーの動作原理を説明する。まず、最初に、リレー接点を閉じる動作から説明する。
【００５３】
図９は非動作状態（電圧を印加しない状態）での各電極及び各接点の位置を示し、固定接点６Ｌ，６Ｒ、可動接点１５Ｌ，１５Ｒ間は開いている。右側静電アクチュエーターを構成する固定電極４Ｒと可動電極２３Ｒ間に電圧を印加すれば、両電極間には静電引力が発生し、可動電極支持部２２Ｒが回転支点Ｒを中心として両持ち梁状のねじれ弾性部２１Ｒのねじれ弾性により回転し、図１０のように可動電極支持部２２Ｒが基板１側に対し接触位置まで変移する（可動電極２３Ｒが固定電極４Ｒを被覆した絶縁層５Ｒに当たるまで変移する。）。静電アクチュエーターの固定電極と可動電極間に働く静電引力は、距離の自乗に逆比例する。従って、図１０からも明らかなように、くさび形状のエアギャップを持つ形で間隔を狭められた固定電極４Ｒと可動電極２３Ｒの間には著しく大きな静電引力が発生し、このくさび形状のエアギャップを狭める大きな引力が発生し、図１１に示すように、リレー構造体７Ａの本体部をなす可動構造部１０Ａ自体を回転支点Ｐを回転中心として右側に回転させ、可動接点１５Ｒと固定接点６Ｒを接触させ、リレー接点を閉じる。
【００５４】
リレー接点が閉じた状態では図１１に示すように、可動電極２３Ｒと固定電極４Ｒとの間のくさび形状のエアギャップはより間隔を狭められるため、強い接点圧力が得られる。
【００５５】
このように、本発明に係る第２の実施の形態の静電リレーでは、まず、弱い力で回転動作する可動電極支持部２２Ｒが、静電アクチュエーターへの電圧印加当初の、静電アクチュエーター電極間隔が大きく、静電引力が小さい段階で動作し、電極間隔を狭める。狭まった電極間隔により、静電アクチュエーター電極間に著しく強い力が発生し、その力でリレー構造体７Ａの本体部、つまり可動電極支持部の外側の枠状部分である可動構造部１０Ａを回転支点Ｐを中心として回転させ、リレー接点を閉じ、接点間により強い圧力を印加することができる。
【００５６】
更に、本発明の第２の実施の形態の静電リレーと第１の実施の形態の静電リレーの動作を比較すれば、第２の実施の形態の静電リレーでは、可動電極支持部２２Ｒがリレー構造体７Ａの端部側を回転支点Ｒとするため、図１０から図１１の状態に移行する時点で、第１の実施の形態における図３から図４の状態に移行するときと比較して、リレー構造体７Ａの本体部の可動構造部１０Ａを回転させる力を加える点が、可動構造部１０Ａ自体の回転支点Ｐから離れた位置にある可動電極支持部２２Ｒの回転支点Ｒにかかるため、てこの原理により、より強い回転力で可動構造部１０Ａを回転させることができる。
【００５７】
このため、第１の実施の形態の静電リレーと比較して、同じ動作電圧で用いる場合、リレー構造体７Ａの本体部である可動構造部１０Ａを支持する両持ち梁状のねじれ弾性部３の弾性率をより大きくすることが可能であり、接点の固着が発生した場合の引き剥がしが容易となる。
【００５８】
すなわち、従来の静電リレーと比較して、同一電圧で動作させる場合、接点固着の故障が第１の実施の形態の静電リレーで改善された以上に少なく、さらに大きな接点電流を流すことが可能となる。また、逆に、従来の静電リレーと同一接点容量の場合、更に低い動作電圧で駆動することが可能となる。
【００５９】
また、図４と図１１を比較すれば明らかなように、リレー接点を閉じた状態で、可動電極と固定電極間に形成されるくさび形状のエアギャップが第１の実施の形態と比較して第２の実施の形態の場合の方がさらに小さく、より強い静電引力を発生することが可能であり、固定接点と可動接点との接触圧力を高め、接点抵抗を小さくすることが可能になる。
【００６０】
従って、第２の実施の形態では、接点を閉じたときの接点抵抗がより低いため、同一の接点電流を流した場合、接点部のジュール発熱が小さく、接点部の発熱温度上昇による接点溶着の発生を更に抑えることが可能となる。
【００６１】
なお、可動電極支持部２２Ｌ，２２Ｒを可動構造部１０Ａに対して回転自在に連結する両持ち梁状のねじれ弾性部２１Ｌ，２１Ｒのねじれ弾性と両持ち梁状のねじれ弾性部３のねじれ弾性を同等にし、可動電極支持部２２Ｌ，２２Ｒと可動構造部１０Ａの回転駆動に要する力を同等にすれば、図１０と図１１の過程が同時に起こるが、その場合もリレー接点（固定接点６Ｌ，６Ｒと可動接点１５Ｌ，１５Ｒ）を接触させる力は最終的に同等になる。
【００６２】
次に、接点を開く動作を説明する。
【００６３】
図１２は、図１１のリレー接点オンの動作後、右側静電アクチュエーターの電極同士を短絡（同電位）とし、右側静電引力をゼロとした状態を示す。この状態で、接点６Ｒ，１５Ｒを引き剥がす力は、リレー構造体７Ａの本体部をなす可動構造部１０Ａを弾性支持している両持ち梁状ねじれ弾性体３の弾性率による復元力のみとなる。
【００６４】
ここで、もし、接点６Ｒ，１５Ｒ間の固着力が、この復元力より大きければ、静電リレーの接点は開かず、接点固着故障となる。
【００６５】
この第２の実施の形態でも、このような場合、左側静電アクチュエーターの電極間に電圧を加え、リレー構造体７Ａの本体部をなす可動構造部１０Ａを左側にシーソー動作させることで右側接点を引き剥がす力を発生させる。
【００６６】
この時の動作を図１２及び図１３に示す。図１２より明らかなように、本実施の形態の静電リレーでは、静電リレー左側の可動電極支持部２２Ｌの可動端部２２Ｌａが可動構造部１０Ａの回転支点Ｐ側にあるため、可動構造部１０Ａが右側に傾いているにもかかわらず、可動端部２２Ｌａとそれに対向する固定電極４Ｌとの距離ｄ′が静止状態である図９の場合の距離ｄとほとんど変わらない。
【００６７】
可動電極支持部２２Ｌを回転させる力は、回転支点Ｌに対するてこの力であり、可動端部２２Ｌａの固定電極との距離ｄ′が静止状態図９と大きく変わらないため（つまり、最大の回転力を発生する可動端部２２Ｌａ寄りの可動電極２３Ｌ端部と固定電極間の距離も静止状態図９と大きく変わらないため）、電極間への電圧印加により容易に可動電極支持部２２Ｌが回転し、図１３の状態に移行する。なお、可動電極支持部２２Ｌの可動端部２２Ｌａと可動電極２３Ｌの端部とをなるべく近接させて形成することで、回転力を効率的に発生可能である。
【００６８】
従って、図５、図６に示した第１の実施の形態の場合のように可動電極支持部２２Ｌ，２２Ｒを回転自在に支持する両持ち梁状のねじれ弾性部２１Ｌ，２１Ｒの弾性率を弱く設定せずとも、通常の動作電圧を印加することで確実に可動電極支持部２２Ｌが回転し、可動電極２３Ｌと固定電極４Ｌの間隔を狭めることができる。
【００６９】
図１３のように、くさび形状のエアギャップの形で間隔を狭められた可動電極２３Ｌと固定電極４Ｌの間には著しく大きな静電引力が発生し、このくさび形状のエアギャップを狭める大きな力が発生する。
【００７０】
このように、第２の実施の形態の静電リレーでは、例え、右側リレー接点が固着する状態が発生しても、左側電極間に通常の動作電圧を印加すれば、可動電極支持部２２Ｌが確実に回転し、静電アクチュエーターへの電圧印加当初の、静電アクチュエーター電極間隔が大きく、静電引力が小さい段階で動作して電極間隔を狭める。狭まった電極間隔により、静電アクチュエーター電極間に著しく強い力が発生し、その力で可動構造部１０Ａを回転し、右側リレー接点、つまり固定接点６Ｒと可動接点１５Ｒとを図１４の如く開く。
【００７１】
更に本実施の形態の静電リレーでは、可動電極支持部２２Ｌがリレー構造体７Ａの本体部をなす可動構造部１０Ａの端部側を支点として回転運動するため、図１３から図１４に移行する時点で、第１の実施の形態における図７に移行するときと比較して、可動構造部１０Ａを回転駆動する力を加える点が、可動構造部１０Ａの回転支点Ｐから離れた位置にある可動電極支持部２２Ｌの支点Ｌにかかるため、てこの原理により、より強い回転力で可動構造部１０Ａを回転させることができる。従って、本実施の形態の構造を取れば、第１の実施の形態と比較して、より強い力で固着した接点を引き剥がす力を発生することが可能である。
【００７２】
以上のように、本発明に係る第２の実施の形態の静電リレーは、例え接点が溶着現象を起こした場合も、溶着側接点と反対側の静電アクチュエーターに電圧を印加すれば、従来の静電リレーと比較して、第１の実施の形態を用いた場合より更に大きな引き剥がし力を発生することが可能であり、接点溶着故障をいっそう確実に避けることが可能となる。なお、その他の作用効果は、前述した第１の実施の形態と同様である。
【００７３】
なお、上記実施の形態では、リレー構造体に対し、一対の可動電極支持部及び可動電極を設けた例を説明したが、本発明はこれに限らず、例えばリレー構造体の形状に応じて複数対の可動電極部（つまり可動電極支持部及び可動電極）を設けてもよく、また、機能的に同等であれば、目的に応じて左右対称構造以外の構成とすることも可能である。
【００７４】
また、上記実施の形態では、可動電極をリレー構造体の基板面側に形成した例を説明したが、同電極位置はこれに限らず、実質的に固定電極と可動電極間に静電引力を発生させ得ればよく、例えばリレー構造体が高誘電率の絶縁体や高抵抗体であれば、可動電極位置をリレー構造体の基板面側の反対面に配置してもよく、また、前記リレー構造体を導電性部材で構成すれば、その構造体自体を可動電極とすることも可能である（この場合、可動電極支持部が不要で、可動電極部自体が可動電極を構成する。）。
【００７５】
また、固定、可動接点の組から成るリレー接点の配置に関しても、上記実施の形態では、リレー構造体両端にリレー接点を持ち、相補的動作を行うリレー回路を構成可能な構造を示したが、単接点でよい場合は、片側だけにリレー接点を設けても良い。また、リレー構造体に複数の接点を形成し、複数回路同時開閉が可能なように構成しても良い。
【００７６】
さらに、リレー構造体の本体部である可動構造部と可動電極部とを接続している弾性連絡部として各実施の形態では両持ち梁状のねじれ弾性部を用いたが、同等の機能を果たすものであれば、ねじれ弾性部以外の構造を用いることも可能である。
【００７７】
【実施例】
次に本発明を実施例により具体的に説明する。
【００７８】
図１５及び図１６は本実施例で形成した静電リレーの平面図及び正断面図であり、第２の実施の形態と同様の構造を持つ。本実施例では、まず、図１７（Ａ）のように熱酸化法により厚さ約１μｍのＳｉＯ２絶縁層１ａを形成した単結晶Ｓｉ板１を基板とし、厚さ５００ｎｍ程度のＡｕをスパッタ法により基板全面に形成し、次にフォトエッチングを用い、静電アクチュエーターの固定電極４Ｌ，４Ｒとリレーの固定接点６Ｌ，６Ｒをそれぞれパターニングした。次に反応性スパッタ法により、基板全面に約１００ｎｍのＳｉＮ絶縁層を形成し、同じくフォトエッチング法により静電アクチュエーターの固定電極４Ｌ，４Ｒ上を残して同絶縁層を選択除去し、絶縁層５Ｌ，５Ｒとした。
【００７９】
次に、図１７（Ｂ）のように減圧ＣＶＤ法を用い、基板全面に犠牲層３１となるＳｉＯ２膜を約３μｍ程度堆積した。次に可動接点１５Ｌ，１５Ｒが形成される位置のＳｉＯ２膜をＲＩＥ法により約５００ｎｍ掘り下げる。更に基板全面に約５００ｎｍのＡｕ膜を約２０ｎｍのＳｉＮ反応防止層とともに形成し、所定の形状にフォトエッチングでパターニングして静電アクチュエーターの可動電極２３Ｌ，２３Ｒ及びリレーの可動接点１５Ｌ，１５Ｒを形成した。さらにこの後、犠牲層３１のＳｉＯ２膜のアンカー構造体２に相当する部分３２をフォトエッチングを用いて選択除去する。
【００８０】
最後に減圧ＣＶＤ法を用い、図１７（Ｃ）のように基板全面に多結晶Ｓｉ膜３３を約４μｍ形成し、以下に述べるリレー構造体７Ａの形状にＲＩＥ法によりパターニングした。その後、犠牲層３１のＳｉＯ２膜をＨＦにより選択エッチングし、図１５及び図１６に示したリレー構造体７Ａをリリースして形成した。
【００８１】
リレー構造体７Ａは、図１５のようにアンカー構造体２からの長さａが約１４０μｍ、幅約６μｍ程度の両持ち梁状のねじれ弾性部３ａ，３ｂ、両持ち梁状のねじれ弾性部３ａ，３ｂから左右に片側長ｂが約２２０μｍとなるように張り出したリレー構造体７Ａの本体部としての可動構造部（フレーム部）１０Ａ、両持ち梁状のねじれ弾性部３ａ，３ｂから左右に約２００μｍ張り出した位置に形成される長さｃが約８０μｍ、幅約３μｍの両持ち梁状のねじれ弾性部２１Ｌａ，２１Ｌｂ及び２１Ｒａ，２１Ｒｂ、該弾性部に接続される長さｄが約１５０μｍ、幅ｅが約２００μｍの静電アクチュエーター可動電極支持部２２Ｌ，２２Ｒ、及び長さ約５０μｍの可動接点支持部１４Ｌ，１４Ｒから構成され、これらを含むリレー構造体７Ａ全体が、両持ち梁状のねじれ弾性部３ａ，３ｂのねじれ弾性により回転自在であると同時に、可動電極支持部２２Ｌ，２２Ｒが両持ち梁状のねじれ弾性部２１Ｌａ，２１Ｌｂ及び２１Ｒａ，２１Ｒｂのねじれ弾性によりそれぞれ回転可能な構造となっている。
【００８２】
本静電リレーは、左右いずれかの静電アクチュエーター間に約２０Ｖ弱の動作電圧を印加することにより、リレー接点が閉じ、この時の接点抵抗は約０．２Ωで、接点電流１００ｍＡ流しても接点の溶着は全く発生しなかった。また、接点電流２００ｍＡを流した場合、接点の溶着現象が認められたが、溶着側リレー接点と反対側の静電アクチュエーターへの動作電圧印加により容易に復帰させることが出来た。
【００８３】
このように、本実施例の静電リレーは、小信号用リレーとして、十分実用可能な特性が得られ、例えば図１７の製造過程での犠牲層３１となるＳｉＯ２膜の膜厚を小さくすることや、静電アクチュエーター電極面積の拡大、等の形状寸法変更により更に低電圧動作とすることも可能である。
【００８４】
比較例として、同様の基本構造、寸法で、回転可能な可動電極支持部を持たず、リレー構造体の本体部に固定された可動電極を持つ従来構造を作成し、評価した結果、同じく動作電圧は約２０Ｖ弱ではあるが、接点抵抗は５〜１０Ω以上の高い値を示し、１Ω以下の接点抵抗に下げるためには４０Ｖ以上の動作電圧が必要であった。更に接点電流を数ｍＡ流したところ、接点が溶着し、オフ動作が不可能になった。また、この時、溶着接点と反対側の静電アクチュエーターに２０Ｖの動作電圧を印加しても、接点を開くことが出来なかった。
【００８５】
以上からも明らかなように、本発明の静電リレー構造を用いれば、従来不可能であった、低電圧駆動、低接点抵抗、高接点容量で信頼性が極めて高い、実用性の高い静電リレーが容易に構成可能である。
【００８６】
なお、本実施例では、薄膜形成技術を用いてリレー構造体を形成した例を示したが、本発明の静電リレーの構成方法はこれに限るものではなく、例えばリレー構造体として単結晶Ｓｉ基板に可動接点と可動電極を形成した後、異方性エッチング等の技術を用いて所定の構造に形成後、同じく固定接点と固定電極を形成した絶縁基板上にスペーサーを介して張り付けても良い。
【００８７】
このような場合でも、従来の構造と比較して、容易に大接点容量、低電圧駆動で信頼性が極めて高い静電リレーを得ることが可能である。
【００８８】
また、リレー構造体として、表面に絶縁加工をした金属薄板を用いることも可能である。このような方法で形成された静電リレーは、薄膜形成技術を用いた静電リレーと比較して、より大きな接点電流を流す用途に適用可能である。
【００８９】
以上本発明の実施の形態及び実施例について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来の静電リレーが問題として抱えていた、接点電極の溶着に弱く、十分な接点電流を確保することが難しく、信頼性が低く実用性に乏しいと言った問題を解決し、接点抵抗が低く、接点電流容量が大きく、動作電圧が低い、接点溶着故障が少ない信頼性の高い静電リレーを実現することが可能である。
【００９１】
これらのリレー特性の著しい改善により、本発明の静電リレーは従来の静電リレーと比較して、極めて実用性が高いリレーを構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電リレーの第１の実施の形態を示す平面図である。
【図２】図１のII−II正断面図である。
【図３】第１の実施の形態において接点オン動作途中の状態を示す正断面図である。
【図４】第１の実施の形態において接点オン動作完了状態を示す正断面図である。
【図５】第１の実施の形態において接点オン動作後に静電アクチュエーターの印加電圧をゼロにした状態の正断面図である。
【図６】  第１の実施の形態において接点オフ動作途中の状態を示す正断面図である。
【図７】第１の実施の形態において接点オフ動作完了状態を示す正断面図である。
【図８】本発明に係る静電リレーの第２の実施の形態を示す平面図である。
【図９】図８のIX−IX正断面図である。
【図１０】第２の実施の形態において接点オン動作途中の状態を示す正断面図である。
【図１１】第２の実施の形態において接点オン動作完了状態を示す正断面図である。
【図１２】第２の実施の形態において接点オン動作後に静電アクチュエーターの印加電圧をゼロにした状態の正断面図である。
【図１３】  第２の実施の形態において接点オフ動作途中の状態を示す正断面図である。
【図１４】第２の実施の形態において接点オフ動作完了状態を示す正断面図である。
【図１５】本発明の実施例を示す平面図である。
【図１６】図１５のXVI−XVI正断面図である。
【図１７】本発明の実施例に係る静電リレーの製造過程を示す説明図である。
【符号の説明】
１  基板
２  アンカー構造体
３，１１Ｌ，１１Ｒ，２１Ｌ，２１Ｒ  両持ち梁状のねじれ弾性部
４Ｌ，４Ｒ  固定電極
５Ｌ，５Ｒ  絶縁層
６Ｌ，６Ｒ  固定接点
７，７Ａ  リレー構造体
１０，１０Ａ  可動構造部
１２Ｌ，１２Ｒ，２２Ｌ，２２Ｒ  可動電極支持部
１３Ｌ，１３Ｒ，２３Ｌ，２３Ｒ  可動電極
１４Ｌ，１４Ｒ  可動接点支持部
１５Ｌ，１５Ｒ  可動接点
３１  犠牲層
【図１】
0004089803.tif 000002
【図２】
0004089803.tif 000003
【図３】
0004089803.tif 000004
【図４】
0004089803.tif 000005
【図５】
0004089803.tif 000006
【図６】
0004089803.tif 000007
【図７】
0004089803.tif 000008
【図８】
0004089803.tif 000009
【図９】
0004089803.tif 000010
【図１０】
0004089803.tif 000011
【図１１】
0004089803.tif 000012
【図１２】
0004089803.tif 000013
【図１３】
0004089803.tif 000014
【図１４】
0004089803.tif 000015
【図１５】
0004089803.tif 000016
【図１６】
0004089803.tif 000017
【図１７】
0004089803.tif 000018