(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定電極が形成された固定基板に、複数の支持部からそれぞれ延びる複数の梁部を介して均等に支持される、可動電極が形成された可動基板を所定間隔で対向配設し、前記固定電極と前記可動電極との間に電圧を印加して発生させた静電引力で可動基板を駆動することにより、前記可動基板に形成された可動接点が前記固定基板に形成された固定接点と閉成する静電マイクロリレーにおいて、
前記両基板のうち、少なくともいずれか一方の電極に、前記支持部と前記可動接点との間に均等に配置される複数の凸部を形成し、
前記凸部の高さは、前記可動基板を駆動する前の状態で、前記可動電極と前記固定電極間の距離の１／３以下であり、
前記可動基板を駆動させると、前記凸部が対向する他方の基板に当接し、前記可動接点が前記固定接点に閉成した後、前記可動電極が前記固定電極に吸着されるように動作することを特徴とする静電マイクロリレー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電マイクロリレーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、静電マイクロリレーとして図８に示す構成のものがある（特開平５─２９７６号公報参照）。
【０００３】
この静電マイクロリレーでは、固定基板１００の上面に設けた枠状の支持部１０１の内側に可動基板１０２が弾性支持され、固定基板１００の上面に形成した固定電極１０３と、可動基板１０２の下面に形成した可動電極１０４とが対向している。そして、前記両電極１０３，１０４間に電圧を印加して静電引力を発生させ、可動電極１０４を固定電極１０３に吸引することにより、可動基板１０２を撓ませて可動接点１０５を固定接点１０６に閉成するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記静電マイクロリレーでは、接点閉成時、粘着や溶着等が発生するため、確実に接点を開離できるように、弾性復帰力を大きくしなければならない。このため、両電極間に発生させる静電引力を増大させる必要が生じ、駆動電圧（電極間に印加する電圧）や対向する電極面積を大きくしたり、電極の間隙寸法を小さくしたり、あるいは、エレクトレットを用いる等により対処しなければならない。この結果、占有体積の増大、接点耐圧の低下、構造及び加工工程の複雑化、及び、コストアップを招来していた。
【０００５】
そこで、本発明は、簡単な構造で、大型化を招くことなく、安価で簡単に製作できる接点開離性に優れた静電マイクロリレーを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、固定電極が形成された固定基板に、複数の支持部からそれぞれ延びる複数の梁部を介して均等に支持される、可動電極が形成された可動基板を所定間隔で対向配設し、前記固定電極と前記可動電極との間に電圧を印加して発生させた静電引力で可動基板を駆動することにより、前記可動基板に形成された可動接点が前記固定基板に形成された固定接点と閉成する静電マイクロリレーにおいて、前記両基板のうち、少なくともいずれか一方の電極に、前記支持部と前記可動接点との間に均等に配置される複数の凸部を形成し、前記凸部の高さは、前記可動基板を駆動する前の状態で、前記可動電極と前記固定電極間の距離の１／３以下であり、前記可動基板を駆動させると、前記凸部が対向する他方の基板に当接し、前記可動接点が前記固定接点に閉成した後、前記可動電極が前記固定電極に吸着されるように動作するようにしたものである。
【０００７】
この構成により、両電極間に電圧を印加して静電引力を発生させると、可動基板は、その支持部から延びる梁部のみが弾性変形する。このため、発生させる静電引力はそれほど強いものでなくてもよい。つまり、両電極間に印加する電圧を小さくすることができる。そして、可動電極が固定電極に吸引されて平行移動し、いずれか一方の基板に設けた凸部が、対向する他方の基板に当接する。これにより、可動電極が固定電極に接近し、静電引力は増加する。したがって、可動電極は、凸部の近傍で部分的に弾性変形し、凸部から可動接点までの領域が固定電極に吸引されることにより可動接点が固定接点に閉成する。その後、可動接点の周囲を含めて可動電極が固定電極に吸着され、可動接点の周囲で、可動接点を固定接点に閉成する弾性力が発生する。
【０００８】
その後、両電極間の印加電圧を除去すると、静電引力が消失し、支持部から延びる部分全体の撓みにより発生した弾性力のみならず、凸部が基板に当接することにより発生した部分的な変形に伴う弾性力、さらには接点閉成部分で変形した可動基板の弾性力が、固定電極から可動電極を引き離す力として作用する。そして、可動電極が固定電極から離間すれば、凸部から可動接点までの領域での弾性力が接点開離力として作用する。その後、凸部が基板から離間すれば、可動基板は各梁部の撓みにより発生した弾性力によって元の対向位置に復帰する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。
【００１３】
図１及び図２は、本実施形態に係る静電マイクロリレーを示す。この静電マイクロリレーは、ガラス基板１１ａからなる固定基板１０の上面に可動基板２０を設けたものである。
【００１４】
前記固定基板１０には、ガラス基板１１ａの上面に固定電極１２及び固定接点１３，１４が形成されている。固定電極１２の表面は絶縁膜１５で被覆されている。前記固定電極１２及び固定接点１３，１４は、プリント配線１６ａ及び１７ａ，１８ａを介して接続パッド１６及び１７，１８にそれぞれ接続されている。
【００１５】
また、前記可動基板２０は、前記固定基板１０の上面に設けた支持部２１の上面縁部から側方に延在する４本の第１梁部２２に可動電極２５を均等に支持したものである。第１梁部２２と可動電極２５の接続部分下面には凸部２４がそれぞれ形成されている。そして、静電引力により可動基板２０が撓むと、接点が閉成する前に、必ず凸部２４が固定基板１０に当接するようになっている。また、凸部２４は、固定基板１０への当接時、両電極１２，２５の距離が、離間した固定基板１０と可動基板２０の間隔の１／３以下となるように形成されている。これにより、凸部２４が固定基板１０に当接した時点で、静電引力が急激に大きくなり、凸部２４の存在に拘わらず、確実に固定電極１２に可動電極２５を吸着させることが可能となっている。
【００１６】
なお、前記凸部２４は、可動基板２０に設けるようにしたが、固定基板１０側に設けたり、両基板１０，２０に設けるようにしてもよい。また、前記凸部２４は、接点１３，１４，２８と支持部２１の間に、２箇所以上設けるようにしてもよい。
【００１７】
前記支持部２１は、固定基板１０の上面に設けたプリント配線１９ａを介して接続パッド１９に接続されている。前記可動電極２５には、その中央に一対のスリット２６ｂ，２６ｃにより第２梁部２３が形成されている。第２梁部２３の下面中央には絶縁膜２７を介して可動接点２８が設けられている。可動接点２８は前記固定接点１３，１４に接離可能に対向している。
【００１８】
続いて、前記構成からなる静電マイクロリレーの製造方法を説明する。
【００１９】
まず、図３（ａ）に示すパイレックス等のガラス基板１１ａに図３（ｂ）に示すように固定電極１２、固定接点１３，１４を形成する。また同時に、プリント配線１６ａ，１７ａ，１８ａ，１９ａ、及び、接続パッド１６，１７，１８，１９をそれぞれ形成する。そして、前記固定電極１２に絶縁膜１５を形成することにより、図３（ｃ）に示す固定基板１０が完成する。
【００２０】
なお、前記絶縁膜１５として比誘電率３〜４のシリコン酸化膜あるいは比誘電率７〜８のシリコン窒化膜を用いれば、大きな静電引力が得られ、接触荷重を増加させることができる。
【００２１】
一方、図３（ｄ）に示すように、上面側からシリコン層１０１，酸化シリコン層１０２及びシリコン層１０３からなるＳＯＩウエハ１００の下面に、接点間ギャップを形成するため、例えば、シリコン酸化膜をマスクとするＴＭＡＨによるウェットエッチングを行い、図３（ｅ）に示すように、下方側に突出する支持部２１と凸部２４とを形成する。そして、図３（ｆ）に示すように、絶縁膜２７を設けた後、可動接点２８を形成する。
【００２２】
次いで、図３（ｇ）に示すように、前記固定基板１０に前記ＳＯＩウエハ１００を陽極接合で接合一体化する。そして、図３（ｈ）に示すように、ＳＯＩウエハ１００の上面をＴＭＡＨ，ＫＯＨ等のアルカリエッチング液で酸化膜である酸化シリコン層１０２までエッチングして薄くする。さらに、フッ素系エッチング液で前記酸化シリコン層１０２を除去して、図３（ｉ）に示すようにシリコン層１０３すなわち可動電極２５を露出させる。そして、ＲＩＥ等を用いたドライエッチングで型抜きエッチングを行い、切欠部２６ａ及びスリット２６ｂ，２６ｃを形成して第１，第２梁部２２，２３を切り出し、可動基板２０が完成する。
【００２３】
なお、固定基板１０はガラス基板１１ａに限らず、少なくとも上面を絶縁膜で被覆した単結晶シリコン基板で形成してもよい。
【００２４】
次に、前記構成からなる静電マイクロリレーの動作について図４の模式図を参照して説明する。
【００２５】
両電極１２，２５間に電圧を印加せず、静電引力を発生させていない状態では、図４（ａ）に示すように、第１梁部２２は弾性変形せず、支持部２１から水平に延びた状態を維持するので、可動基板２０は固定基板１０と所定間隔で対向する。したがって、可動接点２８は、両固定接点１３，１４から開離している。
【００２６】
ここで、両電極１２，２５間に電圧を印加して静電引力を発生させると、第１梁部２２が弾性変形し、可動基板２０が固定基板１０に接近する。これにより、まず、凸部２４が固定基板１０に当接する。前記静電引力は、図５に示すように、電極間距離が小さくに従って増加する傾向にある。そして、両基板１０，２０が凸部２４が固定基板１０に当接するまで接近すると、両電極１２，２５間に作用する静電引力は急激に増大するように設定している。したがって、可動基板２０は、凸部２４の周囲をも部分的に弾性変形させることにより、可動電極２５を固定電極１２に吸着される。この結果、図４（ｂ）に示すように、可動接点２８が固定接点１３，１４に閉成する。そして、可動接点２８が固定接点１３，１４に当接した後は、図４（ｃ）に示すように、第１梁部２２に加えて第２梁部２３が撓み、可動電極２５が固定電極１２を被覆する絶縁膜１５に吸着される。したがって、可動接点２８は、その周囲の可動電極２５が固定電極１２に吸着されることにより、第２梁部２３を介して固定接点１３，１４に押し付けられる。このため、片当たりが発生せず、接触信頼性が向上する。
【００２７】
このとき、第１、第２梁部２２，２３が可動電極２５を上方に引張る力、絶縁膜１５を介した可動電極２５と固定電極１２との間の静電引力、絶縁膜１５の表面からの抗力をそれぞれFs1,Fs2, Fe, Fnとすると下記の関係があり、第１、第２薄板梁部２２，２３のバネ係数、可動電極２５と固定電極１２との初期ギャップ、接点の厚み等を設計することによりFn、Fs1を小さくし、Fs2、すなわち接触荷重の（理想モデルからの）低下を抑えることが可能である。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
その後、両電極１２，２５間の印加電圧を除去すると、第１、第２梁部２２，２３の弾性力のみならず、凸部２４近傍の変形に伴う弾性力をも接点開離力として作用させることができる。したがって、たとえ接点間に粘着や溶着等が発生していても、確実に開離させることが可能となる。そして、接点開離後、可動基板２０は第１梁部２２の弾性力によって元の位置に復帰する。
【００３０】
このように、前記実施形態では、凸部２４を形成したので、接点開離力を大幅に増大させることができ、印加電圧除去時の可動基板２０の動作をスムーズに行わせることが可能となる。
【００３１】
また、可動基板２０全体をシリコンウェハ単体で形成すると共に、左右点対称，断面線対称となるように形成されている。このため、可動電極２５に反りや捩りが生じにくい。したがって、動作不能，動作特性のバラツキを効果的に防止できると共に、円滑な動作特性を確保可能となる。
【００３２】
本発明に係る静電マイクロリレーは、図８に示す従来例とほぼ同様な図６に示す構成としてもよい。
【００３３】
すなわち、この静電マイクロリレーでは、支持部３１が固定基板３０の上面に設けた矩形枠体で構成されている。可動基板４０は、支持部３１の内縁から連結部３２に片持ち支持されている。可動基板４０の下面には絶縁膜４１が形成され、その自由端側には可動接点４２が設けられている。また、可動接点４２と連結部３２の間には凸部４３が形成され、可動接点４２が固定接点３３に閉成する前に固定基板３０に当接するようになっている。
【００３４】
なお、前記実施形態では、可動電極２５，４０を平坦形状としたが、その上面に凹所を形成して薄肉としてもよい。これにより、所望の剛性を確保しつつ軽量であっても、動作速度，復帰速度をより一層向上させることが可能となる。
【００３５】
また、前記可動電極２５，４０を梁部２２，２３よりも厚肉として剛性を大きくしてもよい。これにより、静電引力のすべてを可動電極２５に対する吸引力とすることができ、静電引力を効率良く第１梁部２２又は連結部３２の変形に利用可能となる。
【００３６】
なお、前記実施形態では、可動電極２５を４本の第１梁部２２又は１本の連結部３２で支持するようにしたが、３本あるいは２本の第１梁部２２で支持するようにしてもよい。これにより、面積効率の良い静電マイクロリレーを得ることが可能となる。具体的に、可動電極２５を２本の第１梁部２２で支持するものを図７に示す。このものでは、第１梁部２２を２本とした以外は図１に示すものと同様な構成となっている。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る静電マイクロリレーによれば、両基板のうち、少なくともいずれか一方に凸部を形成するようにしたので、簡単な構成で大型化することなく、安価に接点開離力を増大させることができる。
【００３８】
また、凸部を、支持部と接点との間の少なくとも１箇所に設けるようにしたので、接点が接近する前に、確実に凸部を基板に当接させることができる。
【００３９】
特に、凸部を、該凸部を設けた基板とは反対側の基板に当接した際、そのとき電極間に生じる静電引力により、前記凸部の近傍で可動基板を弾性変形させて接点を閉成可能とする寸法以下の高さとしたので、静電引力を効果的に利用することが可能となる。
【００４０】
また、可動基板を支持部から延びる複数の梁部を介して均等に支持すると共に、凸部を各梁部に対応して均等に設けるようにしたので、可動基板の安定した動作を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施形態に係る静電マイクロリレーの平面図（ａ）及びその断面図（ｂ）である。
【図２】  図１の静電マイクロリレーの分解斜視図である。
【図３】  図１の製作プロセスを示す断面図である。
【図４】  図１の静電マイクロリレーの動作状態を示す模式図である。
【図５】  電極間距離と静電引力との関係を示すグラフである。
【図６】  他の実施形態に係る静電マイクロリレーの平面図（ａ）及びその断面図（ｂ）である。
【図７】  さらに他の実施形態に係る静電マイクロリレーの平面図である。
【図８】  従来例に係る静電マイクロリレーの部分正面図（ａ）及び駆動時の片あたり状態を示す正面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１０…固定基板
１１ａ…ガラス基板
１２…固定電極
１３，１４…固定接点
２０…可動基板
２１…支持部
２２…第１梁部
２３…第２梁部
２４…凸部
２５…可動電極
２６ａ…切欠部
２６ｂ，２６ｃ…スリット
２７…絶縁膜
２８…可動接点
【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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