JP2005050767A - マイクロリレー - Google Patents

Abstract

【課題】基板を大型化することなく吸引力を向上できるマイクロリレーを提供する。
【解決手段】このマイクロリレーは、接点基板１とアーマチュアブロック２とコイル基板３とを備える。接点基板１は、ガラス基板からなり一面に固定接点１４Ａ，１４Ｂが形成されている。アーマチュアブロック２は、シリコンからなり、アーマチュア基板２０及びアーマチュア基板を揺動自在に支持するフレーム２１を一体に備えている。コイル基板３は、ガラス基板からなり一面にコイル３０Ａ，３０Ｂが形成されている。可動接点２２は、アーマチュア基板２０の一面に設けられる。磁性体２３は、可動接点２２の反対側となるアーマチュア基板２０の一面に設けられてアーマチュア２００を構成する。そして、上記コイルと磁性体とが対向するようにコイル基板３にフレーム２１が接合され、上記可動接点と固定接点とが対向するようにフレーム２１に接点基板１が接合される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体微細加工技術を用いて形成されたマイクロリレーに関するものである。

特許文献１には、半導体微細加工技術を用いて形成されたマイクロリレーが開示されている。このマイクロリレーは、セラミック基板にスペーサーを介してアーマチュアブロックを接合してなる。上記セラミック基板は、貫通孔と固定接点とを有し、上記貫通孔に巻線が巻回されたコイルが装着されている。上記アーマチュアブロックは、磁性体が備えられたアーマチュア基板と、アーマチュア基板の全周を包囲してアーマチュア基板を揺動自在に支持するフレームとからなる。上記アーマチュア基板には可動接点が設けられ、上記コイルの通電に応じて上記アーマチュア基板が揺動し、上記可動接点と上記固定接点とが接離する。

特許文献２には、装置を小型化するために、プリントコイルを用いたマイクロリレーが開示されている。このマイクロリレーは、基板に貫通孔と固定接点とを設け、上記貫通孔の周囲となる上記基板の表面にプリントコイルが印刷されている。上記貫通孔にはヨークが装着されている。そして、上記固定接点と接離自在となるように可動接触片が上記基板の表面に固着される。
特開平５−１１４３４７号公報 特許第２６２５８８４号明細書

しかしながら、上述した特許文献２ようにプリントコイルを用いてマイクロリレーを構成すると、巻線を巻回したリレーと比較して装置を小型化できるものの、電磁石機構の吸引力が劣りやすいという問題があった。吸引力を高めるためには、コイルを大きく形成する方法が考えられるが、特許文献１も含めて従来のマイクロリレーは同一の基板にコイルと固定接点とが配設されているため、コイルを大きくしようとするとコイルと固定接点とが干渉し、結局、コイルを大きくするためには基板を大きくせざるを得なかった。

本発明は、上記問題点に鑑みて為されたものであって、その目的とするところは、基板を大型化することなく吸引力を向上できるマイクロリレーを提供することにある。

本発明のマイクロリレーは、接点基板と、アーマチュアブロックと、コイル基板と、ヨークと、可動接点と、磁性体とを備える。上記接点基板は、シリコンとガラスの何れか一方からなり一面に固定接点が形成されている。上記アーマチュアブロックは、シリコンからなり、アーマチュア基板及びアーマチュア基板の全周を包囲してアーマチュア基板を揺動自在に支持するフレームを一体に備えている。上記コイル基板は、シリコンとガラスの何れか一方からなり一面にコイルが形成されている。上記ヨークは、上記コイルの反対側となる上記コイル基板の一面に配設され、上記コイルに通電したときに生じる磁界の磁路を形成する。上記可動接点は、上記アーマチュア基板の一面に設けられ上記固定接点と接離自在である。上記磁性体は、上記可動接点の反対側となる上記アーマチュア基板の一面に設けられてアーマチュアを構成する。そして、上記コイルと上記磁性体とが対向するように上記コイル基板に上記フレームが接合され、上記可動接点と上記固定接点とが対向するように上記フレームに上記接点基板が接合されている。

従って、本マイクロリレーは、上記固定接点と上記コイルとが別々の基板に形成されているため、上記固定接点と上記コイルとが干渉することなくコイルを大きく形成することができ、基板を大きくすることなく吸引力を向上できる。

好ましい実施形態としては、上記接点基板および上記コイル基板それぞれの対向する面に電極パッドを設け、何れか一方の電極パッドはさらに金属の突起部を有し、上記突起部は、その先端が上記アーマチュア基板と上記フレームとの間を通過して他方の電極パッドに接触している。この場合、上記接点基板と上記コイル基板とが上記突起部を介して電気接続されているので、例えば、一方の基板から他方の基板に電力を供給したり、一方の基板の電気出力を他方の基板に引き出すことが容易にできる。また、上記接点基板と上記コイル基板との電気接続がマイクロリレーの内部で行われるため、配線の信頼性が向上できる。

さらに、上記接点基板の上下両面に貫通し、内面に、マイクロリレーを実装するプリント基板の電気回路と上記固定接点とを電気接続するための電気経路が形成された接点用スルーホールと、上記接点基板の上下両面に貫通し、内面に、上記電気回路と上記接点基板に設けられた上記電極パッドとを電気接続するための電気経路が形成されたパッド用スルーホールとを備えると共に、上記コイル基板に設けられた上記電極パッドと上記コイルとを電気接続するのも好ましい。この場合、上記接点用スルーホールを介してマイクロリレーを実装するプリント基板の電気回路と上記固定接点との接続が容易となる。また、上記コイルへの電力供給も、上記パッド用スルーホールから、上記接点基板に設けられた電極パッド→上記突起部→上記コイル基板に設けられた電極パッドを介して、上記接点基板の外側から容易に行うことができる。

さらに、上記接点用スルーホール及び上記パッド用スルーホールの外面に面した開口にバンプを設けるのも好ましい。この場合、マイクロリレーを実装するプリント基板の電気回路へフリップチップ接合できる。

また、上記アーマチュア基板に、上記磁性体との接触面積を減らす凹部を設けるのも好ましい。この場合、上記アーマチュア基板と上記磁性体との接触面積が減り、上記アーマチュアと上記磁性体との熱膨張率の差による反りを低減することができる。

以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。

図１に、本発明のマイクロリレーを示す。このマイクロリレーは、接点基板１と、アーマチュアブロック２と、コイル基板３とを備える。

接点基板１は、矩形板状のガラス基板であって、四隅の近傍には、接点基板１の上下両面に貫通した接点用スルーホール１０Ａ，１０Ｂおよびパッド用スルーホール１１Ａ，１１Ｂが形成されている。接点用スルーホール１０Ａ，１０Ｂの内周面には、マイクロリレーを実装するプリント基板の電気回路（図示せず）と後述する固定接点とを電気接続するための電気経路１００Ａ，１００Ｂが形成されている。パッド用スルーホール１１Ａ，１１Ｂの内周面は、マイクロリレーを実装するプリント基板の電気回路（図示せず）と後述する電極パッドとを電気接続するための電気経路１１１Ａ，１１１Ｂが形成されている。
各電気経路１００Ａ，１００Ｂ，１１１Ａ，１１１Ｂは、クロム、チタン、白金、コバルト、ニッケル、金、金とコバルトの合金、又はこれらの合金等からなり、めっき、蒸着、スパッタ等により形成されている。

各スルーホール１０Ａ，１０Ｂおよび１１Ａ，１１Ｂの両端の開口部周縁には、上述した電気経路１００Ａ，１００Ｂ，１１１Ａ，１１１Ｂとそれぞれ電気接続されたランド１２が形成されている。図２に示すように、接点基板１の下面側のランド１２には、金、銀、銅、半田などの導電性材料からなるバンプ１３が載せられ、各スルーホール１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂの開口を塞ぐように、熱などで密着接合されている。

接点基板１の上面には、２つの接点用スルーホール１０Ａ，１０Ｂに挟まれるようにして、一対の固定接点１４Ａ，１４Ｂが形成されている。固定接点１４Ａ，１４Ｂは、少なくともその表面が、クロム、チタン、白金、コバルト、ニッケル、金、金とコバルトの合金、又はこれらの合金等により形成されている。一方の固定接点１４Ａは、接点用スルーホール１０Ａのランド１２と電気接続され、他方の固定接点１４Ｂは接点用スルーホール１０Ｂのランド１２と電気接続されている。

また、接点基板１の上面には、電極パッド１５Ａ，１５Ｂが形成されている。一方の電極パッド１５Ａは、パッド用スルーホール１１Ａと接点用スルーホール１０Ａとの間でパッド用スルーホール１１Ａの近傍に設けられ、パッド用スルーホール１１Ａのランド１２と電気接続されている。他方の電極パッド１５Ｂは、パッド用スルーホール１１Ｂと接点用スルーホール１０Ｂとの間でパッド用スルーホール１１Ｂの近傍に設けられ、パッド用スルーホール１１Ｂのランド１２と電気接続されている。そして、電極パッド１５Ａ，１５Ｂのそれぞれの上面には、銅からなる金属バンプ１６（金属の突起部）が形成されている。

アーマチュアブロック２は、５０〜３００μｍ程度、好ましくは２００μｍ程度の厚みを有するシリコン基板をエッチングして形成され、アーマチュア基板２０およびアーマチュア基板２０の全周を包囲してアーマチュア基板２０を揺動自在に支持するフレーム２１とを一体に備える。アーマチュア基板２０は、矩形板状であり、下面の長手方向の一端部には、図２に示すように矩形板状の可動接点２２が固着される。また、アーマチュア基板２０の上面には、スパッタや蒸着、めっきなどの方法で磁性体２３が形成され、アーマチュア基板２０と磁性体２３とでアーマチュア２００を構成している。アーマチュア基板２０は、幅方向の両側で長手方向の中心が一対の弾性片２４によってフレーム２１に支持されている。アーマチュア基板２０の肉厚および弾性片２４の肉厚はフレーム２１の肉厚よりも小さく形成されており、フレーム２１の下面および上面に対してアーマチュア２００の下面（すなわち、アーマチュア基板２０の下面）およびアーマチュア２００の上面（すなわち、磁性体２３の上面）が凹むように、アーマチュア基板２０がフレーム２１の高さ方向の略中央に保持されている。アーマチュア２００は、弾性片２４を軸としてシーソー動作を行う。

コイル基板３は、矩形板状のガラス基板であって、図２に示すように、下面には、コイル３０Ａ，３０Ｂおよび電極パッド３１Ａ，３１Ｂが形成されている。コイル３０Ａ，３０Ｂは、コイル基板３の表面に螺旋形の配線パターンをパターニングして形成されており、それぞれの末端の一方同士が接続されると共に、コイル３０Ａの他方の末端が電極パッド３１Ａに接続され、コイル３０Ｂの他方の末端が電極パッド３１Ｂに接続されている。コイル３０Ａ，３０Ｂは、フォトリソグラフィによりアルミの薄膜を形成する工程と、ＴＥＯＳを反応源とするＣＶＤ法により上記アルミの薄膜上に絶縁膜（酸化シリコン膜）を形成する工程とを繰り返すことで、積層構造を有するように形成される。電極パッド３１Ａ，３１Ｂは、コイル３０Ｂの幅方向の両側に設けられている。

コイル基板３の上面には、ヨーク４を収容する収容凹部３２が形成されている。ヨーク４は、電磁軟鉄などの鉄板を曲げ加工あるいは鍛造加工することにより、矩形板状の中央片４Ａの両端から、矩形板状の脚片４Ｂ，４Ｃがそれぞれ立ち上がった形状に形成されている。中央片４Ａの中央には、永久磁石５が取着される。永久磁石５は、直方体形状であって、背中合わせの磁極面５Ａ，５Ｂ（磁極面５Ｂは、図示せず。）が互いに異極となるように着磁され、一方の磁極面５Ｂがヨーク４の中央片４Ａに取着され、他方の磁極面５Ａが脚片４Ｂ，４Ｃの先端と同じ高さになるように形成されている。

上述のように構成された接点基板１、アーマチュアブロック２、コイル基板３は、コイル３０Ａ，３０Ｂと磁性体２３とが対向するようにして、アーマチュアブロック２のフレーム２１がその全周にわたってコイル基板３の周縁部に陽極接合などの方法で接合される。また、可動接点２２と固定接点１４Ａ，１４Ｂとが対向するようにして、フレーム２１がその全周にわたって接点基板１の周縁部に陽極接合などの方法で接合される。そして、接点基板１とコイル基板３との間でフレーム２１に囲まれた密閉空間が形成され、密閉空間内にアーマチュア２００および可動接点２２および固定接点１４Ａ，１４Ｂが収容される。この時、接点基板１に設けられた電極パッド１５Ａ，１５Ｂと、コイル基板３に設けられた電極パッド３１Ａ，３１Ｂとがアーマチュアブロック２を挟んで対向し、電極パッド１５Ａ，１５Ｂに設けられた金属バンプ１６の先端が、アーマチュア基板２０とフレーム２１との間を通過して、対向する電極パッド３１Ａ，３１Ｂに接触する。このように形成されたマイクロリレーは、図３に示すように、接点基板１を下側にして、バンプ１３をフリップチップ接合することでプリント基板に実装される。

次に、このマイクロリレーの動作について説明する。

コイル３０Ａ，３０Ｂに一方向から通電すると、磁性体２３が一方の脚片４Ｃに吸引され、アーマチュア２００は、弾性片２４を軸としてシーソー動作を行う。この時、アーマチュア基板２０の下面に設けられた可動接点２２は、対向する一対の固定接点１４Ａ，１４Ｂと当接し、固定接点１４Ａ，１４Ｂ間を閉じる。コイル３０Ａ，３０Ｂの通電を停止しても、永久磁石５から発生され磁性体２３→脚片４Ｃ→永久磁石５という閉磁路を通る磁束により、アーマチュア２００は、同一状態を維持している。

次に、コイル３０Ａ，３０Ｂの通電方向を逆にすると、磁性体２３が他方の脚片４Ｂに吸引され、弾性片２４のねじり復帰力も加わって、アーマチュア２００は、反対方向にシーソー動作を行う。この時、可動接点２２は、固定接点１４Ａ，１４Ｂから離れ、固定接点１４Ａ，１４Ｂ間を開く。コイル３０Ａ，３０Ｂの通電を停止しても、永久磁石５から発生され磁性体２３→脚片４Ｂ→永久磁石５という閉磁路を通る磁束により、アーマチュア２００は、同一状態を維持している。すなわち、本実施形態のマイクロリレーは、接点を一組備えたラッチング型のリレーとして構成されている。

上述したように、本マイクロリレーの構成によると、固定接点１４Ａ，１４Ｂとコイル３０Ａ，３０Ｂが別々の基板に形成されているため、固定接点１４Ａ，１４Ｂとコイル３０Ａ，３０Ｂとが干渉することなくコイル３０Ａ，３０Ｂを大きく形成することができ、基板（コイル基板）を大きくすることなく、吸引力を向上できる。

また、固定接点１４Ａ，１４Ｂとコイル３０Ａ，３０Ｂが別々の基板に形成されているため、固定接点１４Ａ，１４Ｂの出力の引き出しとコイル３０Ａ，３０Ｂへの電力供給のため両方の基板を電気接続する必要が生じるが、本マイクロリレーでは、金属バンプ１６および電極パッド１５Ａ，１５Ｂ，３１Ａ，３１Ｂを用いて一方の基板（接点基板）と他方の基板（コイル基板）とをマイクロリレーの内部で電気接続しているため、一方の接点基板１に設けられたバンプ１３を電気接続すれば、他方のコイル基板３のコイル３０Ａ，３０Ｂにも電力を供給できる。

なお、アーマチュア基板２０と磁性体２３の熱膨張率の差が大きい場合、熱膨張によって大きな反りが発生することがある。この場合は、図４に示すように、アーマチュア基板２０に磁性体２３との接触面積を減らす凹部２５を設ければよい。凹部２５を設けることで、熱膨張率による反りを１／１０程度にまで低減でき、温度変化に対して安定した動作を行うマイクロリレーを得ることができた。

本実施形態では接点基板１を下側にしてプリント基板へ実装したが、各スルーホール１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂをコイル基板３に設け、コイル基板３を下側にしてプリント基板へ実装してもよい。

また、本実施形態では有極型のリレーを示したが、もちろん無極型のリレーでもよい。

また、本実施形態では接点が一組であったが、もちろん接点は一組以上あってもよい。

また、接点基板１およびコイル基板３は、シリコンで形成してもよい。

本発明の実施形態のマイクロリレーの分解斜視図である。 同上を下側から見た分解斜視図である。 同上の断面図である。 （ａ）同上のアーマチュアブロックの別の構成を上側から見た図である。（ｂ）同上のアーマチュアブロックの別の構成を下側から見た図である。

符号の説明

１ 接点基板
２ アーマチュアブロック
３ コイル基板
４ ヨーク
５ 永久磁石
１０Ａ，１０Ｂ 接点用スルーホール
１１Ａ，１１Ｂ パッド用スルーホール
１２ ランド
１３ バンプ
１４Ａ，１４Ｂ 固定接点
１５Ａ，１５Ｂ 電極パッド
１６ 金属バンプ
２０ アーマチュア基板
２１ フレーム
２２ 可動接点
２３ 磁性体
２４ 弾性片
３０Ａ，３０Ｂ コイル
３１Ａ，３１Ｂ 電極パッド
２００ アーマチュア

Claims (5)

1. シリコンとガラスの何れか一方からなり一面に固定接点が形成された接点基板と、
   シリコンからなり、アーマチュア基板及びアーマチュア基板の全周を包囲してアーマチュア基板を揺動自在に支持するフレームを一体に備えたアーマチュアブロックと、
   シリコンとガラスの何れか一方からなり一面にコイルが形成されたコイル基板と、
   上記コイルの反対側となる上記コイル基板の一面に配設され、上記コイルに通電したときに生じる磁界の磁路を形成するヨークと、
   上記アーマチュア基板の一面に設けられ上記固定接点と接離自在な可動接点と、
   上記可動接点の反対側となる上記アーマチュア基板の一面に設けられてアーマチュアを構成する磁性体とを備え、
   上記コイルと上記磁性体とが対向するように上記コイル基板に上記フレームが接合され、上記可動接点と上記固定接点とが対向するように上記フレームに上記接点基板が接合されてなることを特徴とするマイクロリレー。
2. 請求項１に記載のマイクロリレーにおいて、
   上記接点基板および上記コイル基板それぞれの対向する面に電極パッドを設け、何れか一方の電極パッドはさらに金属の突起部を有し、上記突起部は、その先端が上記アーマチュア基板と上記フレームとの間を通過して他方の電極パッドに接触していることを特徴とする。
3. 請求項２に記載のマイクロリレーにおいて、さらに
   上記接点基板の上下両面に貫通し、内面に、マイクロリレーを実装するプリント基板の電気回路と上記固定接点とを電気接続するための電気経路が形成された接点用スルーホールと、
   上記接点基板の上下両面に貫通し、内面に、上記電気回路と上記接点基板に設けられた上記電極パッドとを電気接続するための電気経路が形成されたパッド用スルーホールとを備えると共に、上記コイル基板に設けられた上記電極パッドと上記コイルとを電気接続することを特徴とする。
4. 請求項３に記載のマイクロリレーにおいて、
   上記接点用スルーホール及び上記パッド用スルーホールの外面に面した開口にバンプを設けたことを特徴とする。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載のマイクロリレーにおいて、
   上記アーマチュア基板に、上記磁性体との接触面積を減らす凹部を設けたことを特徴とする。

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