JP4183008B2

JP4183008B2 - マイクロリレー

Info

Publication number: JP4183008B2
Application number: JP2007050098A
Authority: JP
Inventors: 慎一岸本; 健橋本; 勉下村; 英樹榎本
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: JP2007180047A

Description

本発明は、マイクロリレーに関するものである。

従来から、静電駆動型のマイクロリレーに比べて駆動力を大きくできるマイクロリレーとして、電磁石装置の電磁力を利用してアーマチュアを駆動し接点を開閉するようにしたマイクロリレーが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、この種のマイクロリレーの一例について、図２〜図７を参照しながら説明する。

このマイクロリレーは、ヨーク２０に巻回されたコイル２２，２２への励磁電流に応じて磁束を発生する電磁石装置２と、矩形板状のガラス基板からなり厚み方向の一面側において長手方向の両端部それぞれに各一対の固定接点１４が設けられたベース基板１と、ベース基板１の上記一表面側に固着される枠状（矩形枠状）のフレーム部３１およびフレーム部３１の内側に配置されて４本の支持ばね部３２を介してフレーム部３１に揺動自在に支持され電磁石装置２により駆動されるアーマチュア３０およびアーマチュア３０にそれぞれ２本の接圧ばね部３５を介して支持されそれぞれ可動接点３９が設けられた２つの可動接点基台部３４を有するアーマチュアブロック３と、アーマチュアブロック３におけるベース基板１とは反対側で周部がフレーム部３１に固着された矩形板状のガラス基板からなるカバー４とを備えている。

電磁石装置２におけるヨーク２０は、２つのコイル２２，２２が直接巻回される細長の矩形板状のコイル巻回部２０ａと、コイル巻回部２０ａの長手方向の両端部それぞれからアーマチュア３０に近づく向きに延設されコイル２２，２２への励磁電流に応じて互いの先端面が異極に励磁される一対の脚片２０ｂ，２０ｂと、ヨーク２０の両脚片２０ｂ，２０ｂの間でコイル巻回部２０ａの長手方向の中央部に重ねて配置された矩形板状の永久磁石２１と、細長の矩形板状であってヨーク２０のコイル巻回部２０ａにおける永久磁石２１との対向面とは反対側でコイル巻回部２０ａと直交するようにコイル巻回部２０ａに固着されるプリント基板２３とを備えている。なお、ヨーク２０は、電磁軟鉄などの鉄板を曲げ加工、鋳造加工、プレス加工などにより加工することによって形成されており、両脚片２０ｂ，２０ｂの断面が矩形状に形成されている。

永久磁石２１は、コイル巻回部２０ａとの重ね方向（厚み方向）の両面それぞれの磁極面２１ａ，２１ｂが異極に着磁されており、一方の磁極面２１ｂがヨーク２０のコイル巻回部２０ａに当接し、他方の磁極面２１ａがヨーク２０の両脚片２０ｂ，２０ｂの先端面と同一平面上に位置するように厚み寸法を設定してある。

また、各コイル２２，２２はそれぞれ、永久磁石２１とヨーク２０の脚片２０ｂ，２０ｂとによって口軸方向（つまり、コイル巻回部２０ａの長手方向）への移動が規制される。プリント基板２３は、絶縁基板２３ａの一表面における長手方向の両端部に導体パターン２３ｂが形成されており、各導体パターン２３ｂにおいて円形状に形成された部位が外部接続用電極を構成し、矩形状に形成された部位がコイル接続部を構成している。ここにおいて、コイル接続部には、コイル２２，２２の端末が接続されるが、コイル２２，２２は、外部接続用電極間に電源を接続してコイル２２，２２へ励磁電流を流したときにヨーク２０の両脚片２０ｂ，２０ｂの先端面が互いに異なる磁極となるように接続されている。なお、各導体パターン２３ｂにおける外部接続用電極には、導電性材料（例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，半田など）からなるバンプ２４が適宜固着されるが、バンプ２４を固着する代わりに、ボンディングワイヤをボンディングしてもよい。

ベース基板１は、パイレックス（登録商標）のような耐熱ガラスにより形成されており、外周形状が矩形状であって、中央部には厚み方向に貫通し電磁石装置２を収納する収納孔１６が貫設され、四隅の各近傍には厚み方向に貫通するスルーホール１０が貫設されている。また、ベース基板１の厚み方向の両面であって各スルーホール１０それぞれの周縁にはランド１２が形成されている。ここに、ベース基板１の厚み方向において重なるランド１２同士はスルーホール１０の内周面に被着された導電性材料（例えば、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ａｕ，あるいはこれらの合金など）からなる導体層（図示せず）により電気的に接続されている。また、ベース基板１の厚み方向の他表面側の各ランド１２にはバンプ１３が適宜固着されており、バンプ１３をランド１２に固着することによって、ベース基板１の上記他表面側ではスルーホール１０の開口面がバンプ１３により覆われる。スルーホール１０の開口面は円形状であって、ベース基板１の上記一表面には、それぞれスルーホール１０の開口面およびランド１２を覆う４枚のシリコン薄膜からなる蓋体１９が固着されている。

また、上述の各一対の固定接点１４は、ベース基板１の長手方向の両端部においてベース基板１の短手方向に離間して形成された２つのスルーホール１０の間で上記短手方向に並設されており、上記短手方向において隣り合うスルーホール１０の周縁に形成されたランド１２と導電パターン１８を介して電気的に接続されている。ここに、固定接点１４および導電パターン１８およびランド１２の材料としては、例えば、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ，あるいはこれらの合金などの導電性材料を採用すればよく、バンプ１３の材料としては、例えば、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，半田などの導電性材料を採用すればよい。なお、上述のスルーホール１０および収納孔１６は、例えば、サンドブラスト法やエッチング法などによって形成すればよく、上述の導体層は、例えば、めっき法、蒸着法、スパッタ法などによって形成すればよい。

また、収納孔１６の開口面は十字状であって、ベース基板１の上記一表面側には、収納孔１６を閉塞するシリコン薄膜からなる蓋体１７が固着されている。すなわち、電磁石装置２は、ヨーク２０の両脚片２０ｂ，２０ｂの各先端面が蓋体１７と対向する形で収納孔１６に挿入される。なお、本例では、収納孔１６の内周面と蓋体１７とで囲まれる空間が電磁石装置２を収納する収納部を構成しており、電磁石装置２０は、永久磁石２１がベース基板１の厚み寸法内でアーマチュア３０とヨーク２０とにより形成される磁路中に設けられ、プリント基板２３における絶縁基板２３ａの表面がベース基板１の上記他表面と略面一となっている。なお、蓋体１７，１９は、シリコン基板をエッチングや研磨などで薄膜化することにより形成したシリコン薄膜により構成されており、厚み寸法を２０μｍに設定してある。ここに、蓋体１７の厚み寸法は２０μｍに限定するものではなく、例えば、５μｍ〜５０μｍ程度の範囲内で適宜設定すればよい。また、蓋体１７，１９は、シリコン薄膜に限らず、ガラス基板をエッチングや研磨などで薄膜化することにより形成したガラス薄膜により構成してもよい。

収納孔１６は、ベース基板１の上記一表面から上記他表面に近づくにつれて徐々に開口面積が大きくなるテーパ形状となっており、ベース基板１の上記他表面側から電磁石装置２を挿入しやすく、且つ、ベース基板１の上記一表面における収納孔１６の開口面積を比較的小さくすることができる。

アーマチュアブロック３は、シリコン基板からなる半導体基板を半導体微細加工プロセスにより加工することによって、上述の矩形枠状のフレーム部３１と、上述の４本の支持ばね３２と、フレーム部３１の内側に配置されアーマチュア３０の一部を構成する矩形板状の可動基台部３０ａと、上述の４本の接圧ばね部３５と、上述の２つの可動接点基台部３４とを形成してあり、可動基台部３０ａと、可動基台部３０ａにおけるベース基板１との対向面に固着された磁性体（例えば、軟鉄、電磁ステンレス、パーマロイなど）からなる矩形板状の磁性体部３０ｂとでアーマチュア３０を構成している。したがって、アーマチュア３０が４本の支持ばね部３２を介してフレーム部３１に揺動自在に支持されている。なお、可動基台部３０ａはフレーム部３１よりも薄肉であり、アーマチュア３０の厚み寸法は、アーマチュアブロック３とベース基板１とを固着した状態においてアーマチュア３０の磁性体部３０ｂと蓋体１７との間に所定のギャップが形成されるように設定されている。

上述の支持ばね部３２は、可動基台部３０ａの短手方向の両側面側で可動基台部３０ａの長手方向に離間して２箇所に形成されている。各支持ばね部３２は、一端部がフレーム部３１に連続一体に連結され他端部が可動基台部３０ａに連続一体に連結されている。なお、各支持ばね部３２は、平面形状において上記一端部と上記他端部との間の部位を同一面内で蛇行した形状に形成することにより長さ寸法を長くしてあり、アーマチュア３０が揺動する際に各支持ばね部３２にかかる応力を分散させることができ、各支持ばね部３２が破損するのを防止することができる。

また、可動基台部３０ａは、短手方向の両側縁の中央部から矩形状の突片３６が連続一体に延設され、フレーム部３１の内周面において突片３６に対応する部位からも矩形状の突片３７が連続一体に延設されている。すなわち、可動基台部３０ａから延設された突片３６とフレーム部３１から延設された突片３７とは互いの先端面同士が対向している。ここに、可動基台部３０ａから延設された各突片３６の先端面には凸部３６ａが形成されており、フレーム部３１から延設された各突片３７の先端面には、凸部３６ａが入り込む凹部３７ａが形成されている。したがって、凸部３６ａが凹部３７ａの内周面に当接することでフレーム部３１の厚み方向に直交する面内におけるアーマチュア３０の移動が規制される。なお、アーマチュア３０の同一の側縁側に配設される２つの支持ばね部３２は、突片３６の両側に位置している。

また、アーマチュアブロック３は、アーマチュア３０の長手方向においてアーマチュア３０の両端部とフレーム部３１との間にそれぞれ可動接点基台部３４が配置されており、各可動接点基台部３４におけるベース基板１との対向面に導電性材料からなる可動接点３９が固着されている。ここに、可動接点基台部３４は上述の２本の接圧ばね部３５を介して可動基台部３０ａに支持されている。なお、可動基台部３０ａは上述のように矩形板状に形成されており、磁性体部３０ｂの変位量を制限するストッパ部３３が四隅それぞれから連続一体に延設されており、接圧ばね部３５の平面形状は、ストッパ部３３の外周縁の３辺に沿ったコ字状に形成されている。このストッパ部３３は、ベース基板１の上記一表面と接触することにより磁性体部３０ｂの変位量を制限する。

なお、アーマチュアブロック３は、上述の説明から分かるように、フレーム部３１、可動基台部３０ａ、支持ばね部３２、可動接点保持部３４、接圧ばね部３５が上述の半導体基板の一部により構成されている。半導体基板としては、例えば厚み寸法が２００μｍ程度のシリコン基板を用いればよいが、当該厚み寸法は特に限定するものではなく、例えば、５０μｍ〜３００μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。

また、可動接点基台部３４の厚み寸法と可動接点３９の厚み寸法との合計寸法についても、接点開成状態において可動接点３９と固定接点１４との間の距離が所定距離となるように設定されている。

カバー４は、パイレックス（登録商標）のような耐熱ガラスにより構成されており、アーマチュアブロック３との対向面にアーマチュア３０の揺動空間を確保する凹所４ａが形成されている。

ところで、上述のアーマチュアブロック３のフレーム部３１におけるベース基板１との対向面の周部には全周に亙って接合用金属薄膜３８ｂが形成され、カバー４との対向面の周部には全周に亙って接合用金属薄膜３８ａが形成されている。また、ベース基板１におけるアーマチュアブロック３との対向面の周部にも全周に亙って接合用金属薄膜１５が形成され、カバー４におけるアーマチュアブロック３との対向面の周部にも全周に亙って接合用金属薄膜４２が形成されている。したがって、アーマチュアブロック３とベース基板１およびカバー４とを圧接または陽極接合により気密的に接合することができ、ベース基板１とカバー４とフレーム部３１とで囲まれる空間の気密性を向上できる。

その結果、上記のマイクロリレーは、ベース基板１と、カバー４と、ベース基板１とカバー４との間に介在するフレーム部３１とで囲まれる気密空間（密閉空間）内に、アーマチュア３０、可動接点３３、固定接点１４が収納される。なお、上述の接合用金属薄膜１５，３８ａ，３８ｂ，４２の材料としては、例えば、Ａｕ，Ａｌ−Ｓｉなどを採用すればよい。

以上説明したマイクロリレーをプリント基板のような実装基板に実装する際には、例えばベース基板１の上記他表面側において露出した２個のバンプ２４および４個のバンプ１３それぞれを上記実装基板の一表面側に形成された導体パターンに接続すればよい。

次に、上記のマイクロリレーの動作について説明する。

上記のマイクロリレーでは、コイル２２，２２への通電が行われると、磁化の向きに応じて磁性体部３０ｂの長手方向の一端部がヨーク２０の一方の脚片２０ｂに吸引されてアーマチュア３０が揺動しアーマチュア３０の一端側の可動接点基台部３４に固着された可動接点３９が対向する一対の固定接点１４，１４に所定の接点圧で接触する（つまり、一対の固定接点１４，１４間が可動接点３９を介して短絡される）。この状態で通電を停止しても、永久磁石２１の発生する磁束により、吸引力が維持され、そのままの状態が保持される。

また、コイル２２，２２への通電方向を逆向きにすると、アーマチュア３０の磁性体部３０ｂがヨーク２０の他方の脚片２０ｂに吸引されてアーマチュア３０が揺動しアーマチュア３０の他端側の可動接点基台部３４に保持された可動接点３９が対向する一対の固定接点１４，１４に所定の接点圧で接触する。この状態で通電を停止しても、永久磁石２１の発生する磁束により、吸引力が維持され、そのままの状態が保持される。

なお、上記のマイクロリレーは、永久磁石２１による磁性体部３０ｂの吸引力が支持ばね３２による復帰力よりも強くなるように支持ばね３２のばね定数を設定してあるが、永久磁石２１による磁性体部３０ｂの吸引力が支持ばね３２による復帰力よりも弱くなるように支持ばね３２のばね定数を設定してもよい。

以上説明したマイクロリレーによれば、アーマチュアブロック３におけるベース基板１とは反対側で周部がフレーム部３１に固着されたカバー４を備えていることにより、アーマチュア３および固定接点１４および可動接点３９が密閉空間内に配置されるので、可動接点３９と固定接点１４との間に異物が侵入するのを防止できて可動接点３９と固定接点１４との接触信頼性を向上させることができる。また、リレー全体の厚み寸法をベース基板１の厚み寸法とアーマチュアブロック３のフレーム部３１の厚み寸法とカバー４の厚み寸法との合計寸法によって規定することができ、ベース基板１とカバー４とフレーム部３１とで構成される器体の薄型化が可能となる。

また、上記のマイクロリレーでは、永久磁石２１がコイル巻回部２０ａの長手方向の中央部におけるアーマチュア３０側に重ねて配置され重ね方向の両面が異極に着磁されているので、アーマチュア３０の長手方向の中心部を中心としてアーマチュア３０が揺動可能となり、耐衝撃性が向上する。また、アーマチュア３０の可動基台部３０ａから延設した各突片３６におけるベース基板１との対向面から支点突起３６ｂを突設してあるので、このような一対の支点突起３６ｂを設けることでアーマチュア３０の揺動動作をより安定させることができる。

ところで、上記のマイクロリレーでは、図２（ｂ）に示すように、可動接点３９における固定接点１４との対向面を固定接点１４側へ突出する凸曲面に形成しているので、従来のように固定接点と可動接点との互いの対向面が平面状に形成されている場合に比べて、可動接点３９と固定接点１４との接触信頼性をより向上させることができ、しかも、アーマチュア３０に２本の接圧ばね部３５を介して支持された可動接点基台部３４に可動接点３９が設けられているので、所望の接点圧を得ることができるとともに接触信頼性の更なる向上を図れる。なお、上記凸曲面については所望の曲率半径を設定した曲面としてもよいし、仮想的な球面の一部を構成する曲面（いわゆるＳＲ形状）としてもよい。

なお、可動接点３９における固定接点１４との対向面を固定接点１４側へ突出する凸曲面に形成する代わりに、図８に示すように固定接点１４における可動接点３９との対向面を可動接点３９側へ突出する凸曲面に形成してもよいし、固定接点１４と可動接点３９との互いの対向面を他方側へ突出する凸曲面に形成してもよい。
特開平５−１１４３４７号公報

ここで、可動接点３９の平面形状において幅が狭くなる部分（電路の断面積が小さくなる部分）が形成されていると、一対の固定接点１４，１４間を短絡する可動接点３９の抵抗値が高くなってしまう。

本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、一対の固定接点間を短絡する可動接点の抵抗値を小さくすることができるマイクロリレーを提供することにある。

請求項１の発明は、電磁石装置を収納する収納部が形成され且つ厚み方向の一表面側に一対の固定接点が設けられたベース基板と、ベース基板の前記一表面側に固着される枠状のフレーム部、および、フレーム部の内側に配置されて支持ばね部を介してフレーム部に揺動自在に支持され電磁石装置により駆動されるアーマチュア、および、アーマチュアに接圧ばね部を介して支持された可動接点基台部、および、可動接点基台部に設けられて一対の固定接点に跨って接離する可動接点を有するアーマチュアブロックと、アーマチュアブロックにおけるベース基板とは反対側で周部がフレーム部に固着されたカバーとを備え、アーマチュアはフレーム部に囲まれる面内での形状が長方形状であって、可動接点基台部は、アーマチュアの短手方向を長手方向とし、長手方向での両端部においてそれぞれ接圧ばね部に連結され、一対の固定接点はアーマチュアの長手方向に並設されていて、可動接点基台部の長手方向の両端部には、それぞれ、平面形状が矩形状で一対の固定接点に跨って配置される可動接点が設けられ、可動接点基台部の長手方向の中間部は両端部に比べて細幅に形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、可動接点の平面形状において幅が狭くなる部分（電路の断面積が小さくなる部分）が形成されているものに比べて、一対の固定接点間を短絡する可動接点の抵抗値を小さくすることができる。

請求項１の発明は、可動接点基台部の長手方向の両端部には、それぞれ、平面形状が矩形状で一対の固定接点に跨って配置される可動接点が設けられ、可動接点基台部の長手方向の中間部は両端部に比べて細幅に形成されているので、可動接点の平面形状において幅が狭くなる部分（電路の断面積が小さくなる部分）が形成されているものに比べて、一対の固定接点間を短絡する可動接点の抵抗値を小さくすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態のマイクロリレーの基本構成は図２〜図８の例と略同じであって、図１に示すように一対の固定接点１４，１４がアーマチュア３０の長手方向（図１の左右方向）に並設されている点、可動接点基台部３４の形状、可動接点基台部３４に一対の固定接点１４，１４に接離可能な可動接点３９を２つ設けている点が相違する。他の構成は従来例と同様なので図示および説明を省略する。なお、本実施形態においても、図２〜図８の例と同様に、可動接点３９と固定接点１４との互いの対向面の一方に他方側へ突出する凸曲面を形成してあるので、従来例と同様に可動接点３９と固定接点１４との接触信頼性を向上できる。

本実施形態における可動接点基台部３４は長手方向の両端部それぞれに平面形状が矩形状で一対の固定接点１４に跨って配置される可動接点３９を設け、長手方向の中間部を両端部に比べて細幅に形成してある。

しかして、本実施形態のマイクロリレーでは、可動接点３９の平面形状において幅が狭くなる部分（電路の断面積が小さくなる部分）が形成されているものに比べて、一対の固定接点１４，１４間を短絡する可動接点３９の抵抗値を小さくすることができる。

本発明の実施形態の要部平面図である。マイクロリレーの一例を示し、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は可動接点が固定接点に接触した状態の要部断面図である。同上を示す斜視図である。同上の要部分解斜視図である。同上におけるアーマチュアブロックを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は下面図である。同上におけるアーマチュアブロックの分解斜視図である。同上に用いるカバーの斜視図である。同上の他の構成例において可動接点が固定接点に接触した状態の要部断面図である。

符号の説明

１ベース基板
２電磁石装置
３アーマチュアブロック
４カバー
１４固定接点
３０アーマチュア
３１フレーム部
３２支持ばね部
３４可動接点基台部
３５接圧ばね部
３９可動接点

Claims

電磁石装置を収納する収納部が形成され且つ厚み方向の一表面側に一対の固定接点が設けられたベース基板と、
ベース基板の前記一表面側に固着される枠状のフレーム部、および、フレーム部の内側に配置されて支持ばね部を介してフレーム部に揺動自在に支持され電磁石装置により駆動されるアーマチュア、および、アーマチュアに接圧ばね部を介して支持された可動接点基台部、および、可動接点基台部に設けられて一対の固定接点に跨って接離する可動接点を有するアーマチュアブロックと、
アーマチュアブロックにおけるベース基板とは反対側で周部がフレーム部に固着されたカバーとを備え、
アーマチュアはフレーム部に囲まれる面内での形状が長方形状であって、
可動接点基台部は、アーマチュアの短手方向を長手方向とし、長手方向での両端部においてそれぞれ接圧ばね部に連結され、
一対の固定接点はアーマチュアの長手方向に並設されていて、
可動接点基台部の長手方向の両端部には、それぞれ、平面形状が矩形状で一対の固定接点に跨って配置される可動接点が設けられ、
可動接点基台部の長手方向の中間部は両端部に比べて細幅に形成されていることを特徴とするマイクロリレー。