JP3758136B2 - マイクロリレー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁リレーに関し、特に、半導体プロセス技術を用いたマイクロマシン技術（ＭＥＭＳ）により実現したマイクロリレーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁リレーの小形化のために最先端のプレス、モールド技術が駆使されており、有極型シーソーバランス磁気回路形リレーでは、現在、０．５ｃｃ程度（＝１０×５．８×９．０ｍｍ）が実現されている。しかし、機械加工技術を用いた小形化は、ほぼ限界にきている。近年、半導体プロセス技術を用いたマイクロマシン技術（ＭＥＭＳ）により、ミクロンオーダーの微細加工ができ、大量生産が可能となりつつある。
【０００３】
この種のマイクロリレーとして、例えば特開平７−１７６２５５号公報には、シリコン基板に平板状の可動板と該可動板を揺動可能に軸支するトーションバーとを一体形成することにより電磁リレーの薄型化及び小型化を図る技術が提案されている。
【０００４】
図７は、上記公報記載のプレーナー型電磁リレーの縦断面図であり、シリコン基板１０２に平板状の可動板１０５と該可動板１０５を揺動可能に軸支するトーションバー１０６とを一体形成しており、また、可動板１０５の上面周縁部には通電により磁界を発生させる平面コイルを設け、下面側には可動接点１０９を設けている。
【０００５】
シリコン基板１０２の上下面にはガラス基板１０３，１０４を設け、下側ガラス基板１０４には、前記可動接点１０９と接触可能な固定接点１１１を設けている。更に、ガラス基板１０３，１０４の所定位置に、平面コイルに磁界を作用させる永久磁石１１３Ａ，１１３Ｂおよび１１４Ａ，１１４Ｂを固定した構成となっている。また、この電磁リレーは半導体素子の製造プロセスによって製造している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報記載のプレーナー型電磁リレーでは、リレーチップの左右上下に、少なくとも２対の永久磁石が位置決めされて設けられており、組立時の位置制御が複雑でそのための工数を必要とし、なおかつ、リレー全体に占める永久磁石の資材費が大きくなるという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、半導体プロセス技術を用いたマイクロマシン技術（ＭＥＭＳ）により小形リレーを構成するにあたり、部品点数を削減して、より安価で、組み立てが容易なマイクロリレーを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリコンやガラス基板等に、エッチング、ＣＶＤなどの半導体プロセス技術やメッキ等の加工を施して実現するマイクロリレーにおいて、１個の永久磁石から発生する磁束に鎖交するコイルが電磁力により回動して接点の開閉を行う構造とし、また、そのマイクロリレーチップが搭載されるリードフレームは磁性体であり、その一部が、コイルを挟んで、前記永久磁石の磁極面と対向するように切り起こされて、磁気回路の一部を形成したことを特徴とする。
【０００９】
具体的には、半導体またはガラス基板上にエッチングにより構成された溝部内で、渦巻き状平面コイルが回転動作するように２点支持で設置され、そのコイルの回動動作に連動するように可動接点ばねが連結されており、可動接点ばね先端に可動接点が設けられ、その可動接点に対向するように固定接点が基板に設置されている。
【００１０】
また、そのコイルの内側には、長手方向に着磁され基板上に固定された永久磁石を有している。このリレーチップが搭載されるリードフレームは、磁性体で構成され、その一部がコイルを挟んで永久磁石の磁極面と対向するように切り起こされ、磁気回路の一部を形成している。
【００１１】
磁性体のリードフレームを磁気回路の一部に利用することにより、永久磁石の磁束を効率よく利用し、なおかつ、部品点数を削減できるという効果が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態を示すマイクロリレーの平面図であり、図２はそのＡ−Ａ線に沿った断面図、図３はＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図４はそのシリコン回動部の平面図である。
【００１３】
図１〜図３に示すように、磁性体で構成されたリードフレーム１上に搭載されたチップ状のシリコン基板２の中央に、シリコン基板２の平面に平行な長手方向に着磁された永久磁石３が配置してある。この永久磁石３は、従来技術の焼結や溶解などで形成した磁石を貼り付けても良いし、またはスパッタリング等の薄膜成形法を用いて形成しても良い。
【００１４】
また、永久磁石３の周囲には、図４に示すように、永久磁石３の長手方向中心を支点として回動するようにシリコン基板２にシリコンひんじバネ４で支持されたシリコン接点バネ７を介したシリコン回動体５があり、その上に、リソグラフ、または、リソグラフとめっきにより、銅、または、金などの配線材料により、永久磁石を周回するように、パターニングされたコイル６が形成される。
【００１５】
永久磁石３の周囲のシリコン基板２は、リソグラフ、および、エッチングにより、掘り込まれ、溝部が形成され、コイル６により駆動される回動部５およびシリコン接点バネ７が回動するための空間が確保される。
【００１６】
また、シリコン接点バネ７は、シリコン回動体５の動作に応じて回動するように、シリコン回動体５とは剛性連結されている。さらに、シリコン接点バネ７の先端には、可動接点８が形成され、シリコン基板２の回動用空間の底面には、可動接点８に対向する位置に、固定接点９が形成される。
【００１７】
これらシリコン基板２に形成されるシリコンひんじバネ４、シリコン接点バネ７、シリコン回動体５は、シリコン基板２とは別のシリコンウエハにボロンを注入して形成し、シリコン基板２に貼り合わせてもよく、また、シリコン基板２のエッチング、埋め戻しおよび半導体成膜技術等を用いることにより、構成することもできる。
【００１８】
また、上述のチップ状のシリコン基板２が搭載されるリードフレーム１は、磁性材料からなり、そのリードフレーム１は、永久磁石３の磁極面と対向するように、コイル６および、コイル回動用空間を介して、一部に切り起こし１０が形成されている。
【００１９】
なお、コイル６および可動接点８の配線は、シリコンひんじバネ部４を通るパターン配線からシリコン基板２周辺部のボンディングパッド１１に接続されており、固定接点９については、コイル回動用空間の底面から壁面を通ったパターン配線で、ボンディングパッド１１に接続されている。
【００２０】
なお、図が煩雑になるため、配線パターンについては、図示していない。これらの、ボンディングパッド１１からは、半導体集積回路と同様、ワイヤーボンディングなどで、リードフレーム１を介して、外部端子に接続することになる。外部端子への接続は図示していない。
【００２１】
図５は、本発明のマイクロリレーにおける磁気回路の概略図である。以下、図１〜図５を参照して本発明のマイクロリレーの動作を説明する。
【００２２】
永久磁石３から発生する磁束は、コイル回動用空間を通過して、切り起こされたリードフレーム１を磁気回路として、リードフレーム１の切り起こし部１０に流れ、反対方向の切り起こし部１０からコイル回動用空間を通過し、永久磁石３に戻ってくる。２箇所のコイル回動用空間には、永久磁石３長手方向の磁束が常に流れることになる。
【００２３】
一方、永久磁石３周囲に配置されたコイル６に通電すると、コイル回動用空間に流れる磁束に垂直方向の電流が流れることになり、フレミングの左手則に従う電磁力がコイル６に発生し、コイル６を回動させることになる。たとえば、図１において、永久磁石の左側が磁極のＮ極とし、コイル６に右周りの電流が流れる場合、コイル６の左側は、紙面の手前方向に、コイル６の右側は、紙面に対して裏方向に力を受け、コイル６およびシリコン回動体５は、回転力を得ることになる。
【００２４】
このとき、シリコン回動体５に剛性連結されたシリコン接点バネ７も回動し、可動接点８と固定接点９が、接触することになる。一方、この回転力による変位は、シリコン回動体５をシリコン基板２に支持するシリコンひんじバネ４を捩じることになり、さらに、接点８，９が接触した場合には、シリコン接点バネ７を撓ませることになり、シリコンひんじバネ４、シリコン接点バネ７の復元力とのつりあい位置で停止する。
【００２５】
コイル６への通電を停止すると、電磁力が解消し、コイル６、シリコン回動体５、および、シリコン接点バネ７は、復帰する。また、コイル通電電流を逆方向にすれば、逆方向の回転力を得、逆方向の接点８，９を接触させることができる。
【００２６】
本発明においては、単一の永久磁石のＮ極側及びＳ極側の両方の磁束をフレミングの左手則に従う電磁力を得るために使用することができるので、効率の良い回動力を得ることができる。また、単一の永久磁石の周囲にコイルを配置した構成であるので、構成が簡単であり、またそれらの位置決めも容易である。
【００２７】
更に、永久磁石の磁極対向部に磁気回路を付加し、その磁気回路の機能をリードフレームに兼用させることで、永久磁石から発生する磁力の発散を減らし、より一層大きな回転力を得ることができ、更なる効率化と小型化を図ることが可能となる。
図６は、本発明の第２の実施形態を示すマイクロリレーの断面図である。
【００２８】
上記第１の実施形態では、コイル６、シリコン回動体５、および、シリコン接点バネ７の初期位置は、シリコン基板２に対して平行であって、両側の接点とも接触していない状態となっており、コイルへの通電の方向によって、回動方向を変え、左又は右の接点が接触するように接点動作を制御しているが、本実施の形態では、あらかじめ、コイル６、シリコン回動体５、および、シリコン接点バネ７の初期位置をシリコン基板２に対し、傾けた状態とし、片側の接点８，９が、接触した、いわゆる常閉接点を実現している。
【００２９】
本実施の形態においては、コイル６に通電することにより、常閉接点を開放し、反対側の常開接点を閉成させることができる。そして、コイル通電を取り去れば、初期位置に復帰し、常閉接点が閉成状態に戻ることになる。
【００３０】
この構造を実現するためには、コイル６、シリコン回動体５、および、シリコン接点バネ７が、シリコン基板２に対して平行である第１の実施形態の構造から、シリコンひんじバネ部４を加熱しながら、コイル６、シリコン回動体５、および、シリコン接点バネ７を加圧回動させ、シリコンひんじバネ部４を塑性変形させる方法や、シリコンひんじバネ４形成時に、成膜条件を制御して、シリコンひんじバネ４の応力によるソリを利用することもできる。
【００３１】
なお、上記実施の形態では基板としてシリコン基板を用いているが、他の半導体またはガラス基板を用いて構成することも可能であり、シリコン回動体５、シリコンひんじバネ４、および、シリコン接点バネ７も他の半導体材料を用いても良い。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は、半導体またはガラス基板上にエッチング等により構成された溝部内で、渦巻き状平面コイルが回転動作するように２点支持で設置し、そのコイルの内側に、長手方向に着磁され基板上に固定された一つの永久磁石を有する構成であるので、部品点数が削減でき、コイルと永久磁石との位置決めも容易となる。
【００３３】
また、リレーチップが搭載されるリードフレームが磁性体で構成され、その一部がコイルを挟んで永久磁石の磁極面と対向するように切り起こされ、磁気回路の一部を形成しているので、永久磁石の磁束を効率よく利用することができ、更なる小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すマイクロリレーの正面図である。
【図２】図１に示すマイクロリレーのＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】図１に示すマイクロリレーのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図４】図１のマイクロリレーの回動部を示す正面図である。
【図５】本発明における磁気回路の概略を説明するための図である。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す側断面図である。
【図７】従来例を示す図である。
【符号の説明】
１ 磁性体のリードフレーム
２ シリコン基板
３ 永久磁石
４ シリコンひんじバネ
５ シリコン回動体
６ コイル
７ シリコン接点バネ
８ 可動接点
９ 固定接点
１０ 磁性体のリードフレーム１の切り起こし部
１１ ボンディングパッド

Claims (6)

1. チップ状の半導体製またはガラス製の基板の中央に固定配置され、前記基板の平面に平行な長手方向に着磁された永久磁石と、
   前記永久磁石の周囲に形成された前記基板の溝部と、
   前記溝部内に配置され、前記溝部内で前記永久磁石の長手方向中心を支点として前記基板の永久磁石を配置した面と直交する面内で回動可能となるように半導体材料により該基板と一体に形成されたひんじバネ、接点バネおよび回動体と、
   前記回動体の面上に形成され、前記永久磁石を周回するように配置された渦巻き状平面コイルと、
   前記接点バネの先端に形成された可動接点と、
   前記基板の溝部底面の前記可動接点と対向する位置に形成された固定接点とを備えていることを特徴とするマイクロリレー。
2. 前記渦巻き状平面コイルを挟んで前記永久磁石の磁極面と対向するヨークを設けたことを特徴とする請求項１記載のマイクロリレー。
3. 前記ヨークは、磁性体で構成されたリードフレームの一部を切り起こして形成されていることを特徴とする請求項２記載のマイクロリレー。
4. 前記可動接点は、前記接点バネの長手方向両端にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
5. 前記接点バネの初期位置は前記基板に対して平行に配置され、前記可動接点は、前記渦巻き状平面コイルへの通電方向に応じて、いずれか一方の可動接点が対向する固定接点と接触するように構成されていることを特徴とする請求項４記載のマイクロリレー。
6. 前記接点バネの初期位置は前記基板に対して長手方向に予め傾けた状態に配置され、前記可動接点のいずれか一方が対向する固定接点と接触した常閉接点となるように構成されていることを特徴とする請求項４記載のマイクロリレー。

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