JP2006524880A - 積層電気機械構造の組み立て方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(技術分野)
本発明は、電気機械システムに関する。さらに詳しくは、本発明は、係止付き磁気スイッチなどの形成のための層の積層による電気機械システムの組み立てに関する。
スイッチは通常、電気的に制御される2状態の装置であり、電気回路または光学回路内の装置の動作をもたらすべく接点を開閉する。例えば、リレーが通常、電気装置、光学装置またはその他の装置の或る部分を動作させ、あるいは非動作にさせるスイッチとして機能する。リレーは、電気通信、無線(RF)通信、携帯用電子機器、民生用および産業用電子機器、航空宇宙産業、およびその他のシステムを含む多数の用途に広く使用されている。さらに近年では、オプティカル・スイッチ(ここでは、「オプティカル・リレー」、または単に「リレー」とも称する)が、光信号(光通信システムにおけるものなど)を或る経路から別の経路へと切り替えるために使用されてきている。
積層電気機械システム、構造、およびデバイスの組み立ておよび製造のための方法およびシステムが、ここに説明される。第1の態様においては、電気機械構造の組み立てシステムおよび方法が提供される。構造層からなるスタックが整列させられる。スタックは、可動要素が形成されてなる構造層を少なくとも1つ含んでいる。スタックの各構造層は、スタックの隣接する構造層に貼り付けられている。
(はじめに)
ここに示して説明する特定の実装が、あくまで本発明の例であって、いかなるかたちでも本発明の技術的範囲を限定しようとするものではないことを、理解しなければならない。実際、簡潔さのため、システムの通常の電子機器、製造、積層による電気機械およびMEMS技術、ならびに他の機能的側面(およびシステムの個々の動作部品の構成部品)については、ここでは詳細には説明しない。さらに、説明を簡潔にするため、ここでは本発明をしばしば、電気または電子システムにおいて使用するマイクロ電子機械リレーに関するものとして説明する。ここで説明する製造技法を、機械リレー、光リレー、他の任意のスイッチング・デバイス、ならびに他の種類の構成部品の製造に使用できることを、理解すべきである。また、この技術は、電気システム、光システム、民生用電気機器、産業用電気機器、無線システム、宇宙用途、またはその他の任意の用途への適用に好適である。
本発明は、積層による電気機械システム(LEMS)および構造に関する。本発明の積層による電気機械システム(LEMS)および構造においては、所定のパターンを有する種々の材料の層が形成される。これらの層が、お互いに対して整列され、多層構造すなわちスタックを形成すべく一体に積層され、すなわち積み重ねられる。可動機械要素は、スタックの1つ以上の層において生成されることができる。可動要素が、スタック内に空洞を生成することによるスタック内の運動のための空間を有して設けられている。空洞を生成するため、開口を有する層が、可動要素を有する層の片側または両側に整列される。可動要素は、種々の層を一体に積層した後、形成された空洞内で自由に動くことができる。
本発明による積層電気機械システムおよび構造の製造および組み立ての例を、以下に詳しく説明する。ここで説明するこれらの実装例は、例示を目的とするものであって、本発明を限定するものではない。本発明による積層電気機械システムおよび構造は、この節で説明するとおり、いくつかの方法で組み立てることができ、それらは、ここでの教示から当業者によって自明である。
図9Aおよび9Bは、それぞれ係止付きスイッチの側面図および上面図を示している。ここで、スイッチおよびデバイスという用語は、本発明の構造を説明するため置き換え可能に使用される。図9Aおよび9Bを参照すると、一例としての係止付きリレー900が、磁石902、基板904、導体914を収容した絶縁層906、コンタクト908、および台座層910によって基板の上方に配置または支持された片持ち梁(可動要素)912を適切に備えている。
「下方」位置にあるとき、片持ち梁が下部の導体と電気的に接触し、すなわちスイッチが「オン」である(「閉」状態ともいう)。コンタクト端が「上方」にあるとき、スイッチは「オフ」である(「開」状態ともいう)。これら2つの安定状態が、片持ち梁要素の運動によって切り替え機能を生む。切り替え後、永久磁石が片持ち梁を「上方」または「下方」のいずれかの位置に保持し、この装置を係止付きリレーにする。2つの状態の間での移行のために、電流が、短い(一時的な)期間の間だけコイルを通過して流れる(例えば、コイルにエネルギーが与えられる)。
双安定を生じさせるための原理を、図2を参照して説明する。パーマロイ片持ち梁912の長さLが、自身の厚さtおよび幅(w、図示されていない)よりもはるかに大きい場合、長軸Lに沿った方向が、磁化のための好ましい方向(「容易軸」ともいう)になる。片持ち梁の主たる中央部分が、均一な永久磁界中に置かれたとき、片持ち梁にトルクが加わる。このトルクは、片持ち梁の磁界に対する初期位置に応じて、時計回りまたは反時計回りのいずれかでありうる。片持ち梁の軸(ξ)と外部磁界(H0)との間の角度(α)が90°よりも小さいとき、トルクは反時計回りであり、αが90°よりも大きいとき、トルクは時計回りである。片持ち梁の双方向の磁化(すなわち、図10に示すように、磁化ベクトル「m」が或る方向または逆の方向を向く)によって(α<90°のとき、mが左から右を向き、α>90°のとき右から左を向く)、双方向のトルクが生じる。このトルクのため、片持ち梁が外部磁界(H0)に整列しようとする。しかしながら、機械的な力(片持ち梁の弾性によるトルク、物理的なストッパ、など)が、H0への完全な整列を先取りし、スイッチの係止の基礎を構成する2つの安定位置(「上方」または「下方」)が利用可能になる。
H0から生じる片持ち梁の容易軸に沿った双方向の磁化を、(H0)の影響に打ち勝つべく第2の磁界を加えることによって瞬時に反転させることができ、したがって、切り替え可能な係止付きリレーを実現することができる。この筋書きは、必要とされる一時的な切り替え用磁界を生成するため、片持ち梁の下方または上方に平面コイルを置くことによって実現される。平面であるコイル形状は、比較的製造が簡単であるという理由で選ばれており、他の構造(包み込みの三次元型など)ももちろん可能である。コイルを巡る短い電流パルスによって、磁力(Hcoil)線が生成される。片持ち梁の磁化(磁化ベクトル「m」)の方向を変えるために使用されるのは、主としてこの磁界のξ成分(片持ち梁に沿う方向、図10を参照)である。コイルの電流の向きが、正または負のいずれのξ磁界成分が生成されるかを決定する。複数のコイルを使用することも可能である、切り替えの後、永久磁界が片持ち梁を、次の切り替え事象に遭遇するまでこの状態に保つ。コイルによって生成される磁界のξ成分(Hcoli−ξ)が、瞬間的にのみ永久磁界のξ成分[H0ξ〜H0cosα=H0sin(ψ)、α=90°−ψ]を上回ればよく、ψは通常はきわめて小さいため(例えば、ψ≦5°)、切り替えのための電流および電力をきわめて小さくすることができ、これはマイクロ・リレーの設計において重要な検討材料である。
磁石の整列についての要件を緩和するという問題を解決するため、本発明の発明者らは、片持ち梁の周囲の比較的広い領域に直交磁界を生成するための技法を開発した。この発明は、低透磁率の媒体(例えば、空気)中において磁力線が、きわめて高透磁率な材料(例えば、パーマロイなどの容易に磁化される材料)の表面に基本的に直交するという事実にもとづいている。片持ち梁が、そのような表面に近接して配置され、かつ片持ち梁の水平面が、高透磁率材料の表面と平行であるとき、前記目的を、少なくとも部分的に実現できる。大まかな仕組みは、以下のとおりであり、本発明の例示のための実施の形態はこれに従う。
または、
H2・n=(μ1/μ1)H1・n H2×n=H1×n
μ1>>μ2である場合、図11に示すとおり、H2の法線成分は、H1の法線成分よりもはるかに大きい。極限(μ1/μ2)→∞をとると、磁界H2は、H1の方向と無関係に境界面に直交する(H1が界面に対し正確に平行である例外的な場合でなければ)。第2の媒体が空気(μ2=1)であり、したがってB2=μ0H2である場合、磁束線B2もまた表面に直交するであろう。この特性が、係止付きマイクロ磁気スイッチにおいて片持ち梁の水平面に直交する磁界の生成に利用され、永久磁石の整列の要件を緩和するために利用される。
以上、本発明の種々の実施の形態を説明したが、それらがあくまで例として示されたものであり、本発明を限定するものではないことを、理解すべきである。本発明の技術的思想および技術的範囲を離れることなく、形態および細部において多数の変更が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の広がりおよび技術的範囲は、前記例示した実施の形態のいずれによっても制限されるべきものではなく、以下の特許請求の範囲およびその均等物に従ってのみ定められるべきものである。
Claims (64)
- 積層電気機械構造の組み立て方法であって、
(a)可動要素が形成されてなる第1の構造層を有する複数の構造層を、スタックを形成すべく積み重ねる工程、および
(b)該スタックの各構造層を、該スタックの隣接する構造層に貼り付ける工程
からなる方法。 - 工程(a)が、
前記構造層を前記スタック中で整列させる工程
を含んでいる請求項1に記載の方法。 - 前記積み重ね工程が、
永久磁石を有するさらなる構造層を、前記スタック中に配置する工程
を含んでいる請求項1に記載の方法。 - 前記積み重ね工程が、
高透磁率の磁性材料を有するさらなる構造層を、前記スタック中に配置する工程
を含んでいる請求項1に記載の方法。 - 前記積み重ね工程が、
電磁石の少なくとも一部を有するさらなる構造層を、前記スタック中に配置する工程
を含んでいる請求項1に記載の方法。 - 前記積み重ね工程が、
電気コンタクト領域が少なくとも1つ形成されてなるさらなる構造層を、前記スタック中に配置する工程
を含んでいる請求項1に記載の方法。 - 前記積み重ね工程が、
前記可動要素を有する前記第1の構造層を、前記スタック中に配置する工程
を含んでいる請求項1に記載の方法。 - 前記積み重ね工程が、
開口を有する第2の構造層を、空洞を形成すべく前記スタック中に配置する工程
をさらに含んでいる請求項7に記載の方法。 - 前記第2の構造層を配置する工程が、
前記可動要素の動作時に該可動要素が前記空洞中を運動できるよう、該第2の構造層を、前記スタック中に前記第1の構造層と隣接して配置する工程
を含んでいる請求項8に記載の方法。 - 前記形成工程が、
前記可動要素が前記第1の構造層と同一平面である平面内で運動できるように前記第1の構造層に前記可動要素を形成する工程
を含んでいる請求項1に記載の方法。 - 前記形成工程が、
前記可動要素が前記第1の構造層と同一平面である平面の外へと運動できるように前記第1の構造層に前記可動要素を形成する工程
を含んでいる請求項1に記載の方法。 - 工程(b)が、
工程(a)に先立ち、前記スタックの隣り合う構造層の組のそれぞれの対向する表面の少なくとも一方に接着材料を塗布する工程
を含んでいる請求項1に記載の方法。 - 前記接着材料がエポキシであり、前記塗布工程が、
前記スタックの隣り合う構造層の組のそれぞれの対向する表面の少なくとも一方に該エポキシを塗布する工程
を含んでいる請求項12に記載の方法。 - 工程(b)が、
工程(a)の後に、前記スタックの隣り合う構造層の組のそれぞれの対向する表面の少なくとも一方に塗布された前記エポキシを硬化させる工程
をさらに含んでいる請求項13に記載の方法。 - 前記硬化工程が、
前記エポキシを硬化させるべく前記スタックを加熱する工程
を含んでいる請求項14に記載の方法。 - (c)工程(a)に先立って、前記複数の構造層を形成する工程
をさらに含んでいる請求項1に記載の方法。 - 工程(c)が、
永久磁石を含んでいる構造層を形成する工程
を含んでいる請求項16に記載の方法。 - 工程(c)が、
高透磁率の磁性材料を含んでいる構造層を形成する工程
を含んでいる請求項16に記載の方法。 - 工程(c)が、
電磁石の少なくとも一部を含んでいる構造層を形成する工程
を含んでいる請求項16に記載の方法。 - 工程(c)が、
構造層の表面に少なくとも1つの電気コンタクト領域を形成する工程
を含んでいる請求項16に記載の方法。 - 工程(c)が、
開口を有する構造層を形成する工程
を含んでいる請求項16に記載の方法。 - 工程(c)が、
前記可動要素を有している前記第1の構造層を形成する工程
を含んでいる請求項16に記載の方法。 - 前記第1の構造層を形成する工程が、
前記第1の構造層に前記可動要素を形成する工程、および
前記第1の構造層に、前記可動要素に機械的に接続された少なくとも1つの可撓部分を形成する工程
を含んでいる請求項22に記載の方法。 - 前記第1の構造層を形成する工程が、
前記第1の構造層に、前記可動要素に電気的に接続された少なくとも1つのコンタクト領域を形成する工程
を含んでいる請求項22に記載の方法。 - 前記積層電気機械構造が、係止付きのスイッチを含んでおり、
工程(c)が、
前記複数の構造層のうちの或る構造層の表面に、少なくとも1つの電子部品を形成する工程、および
該少なくとも1つの電子部品を、前記係止付きスイッチへと電気的に接続する工程
を含んでいる請求項16に記載の方法。 - 前記少なくとも1つの電子部品が、インダクタ、キャパシタ、および抵抗器の少なくとも1つを含んでおり、
前記電子部品の形成工程が、
前記インダクタ、キャパシタ、および抵抗器の少なくとも1つを、前記複数の構造層のうちの前記或る構造層の表面に形成する工程
を含んでいる請求項25に記載の方法。 - 前記積層電気機械構造が、係止付きのスイッチを含んでおり、
工程(c)が、
前記複数の構造層のうちの或る構造層の表面に、アンテナ・パターンを形成する工程、および
該アンテナ・パターンを、前記係止付きスイッチへと電気的に接続する工程
を含んでいる請求項16に記載の方法。 - 請求項1に記載の方法によって組み立てられた係止付きマイクロ磁気スイッチ。
- 請求項1に記載の方法によって組み立てられた複数の係止付きマイクロ磁気スイッチ。
- 請求項1に記載の方法によって組み立てられた係止付き磁気スイッチ。
- 請求項1に記載の方法によって組み立てられた複数の係止付き磁気スイッチ。
- 請求項1に記載の方法によって製造された積層されてなる複数の係止付き磁気スイッチ。
- 請求項1に記載の方法によって製造された横方向に離間してなる複数の係止付き磁気スイッチ。
- 積層マイクロ機械構造の組み立て方法であって、
(a)可動要素が形成されてなる第1の構造層を有する複数の構造層を、スタックを形成すべく積み重ねる工程、および
(b)該スタックの各構造層を、該スタックの隣接する構造層に貼り付ける工程
からなる方法。 - 工程(a)が、
前記構造層を前記スタック中で整列させる工程
を含んでいる請求項34に記載の方法。 - 前記積み重ね工程が、
永久磁石を有するさらなる構造層を、前記スタック中に配置する工程
を含んでいる請求項34に記載の方法。 - 前記積み重ね工程が、
高透磁率の磁性材料を有するさらなる構造層を、前記スタック中に配置する工程
を含んでいる請求項34に記載の方法。 - 前記積み重ね工程が、
電磁石の少なくとも一部を有するさらなる構造層を、前記スタック中に配置する工程
を含んでいる請求項34に記載の方法。 - 前記積み重ね工程が、
電気コンタクト領域が少なくとも1つ形成されてなるさらなる構造層を、前記スタック中に配置する工程
を含んでいる請求項34に記載の方法。 - 前記積み重ね工程が、
前記可動要素を有する前記第1の構造層を、前記スタック中に配置する工程
を含んでいる請求項34に記載の方法。 - 前記積み重ね工程が、
開口を有する第2の構造層を、空洞を形成すべく前記スタック中に配置する工程
をさらに含んでいる請求項40に記載の方法。 - 前記第2の構造層を配置する工程が、
前記可動要素の動作時に該可動要素が前記空洞中を運動できるよう、該第2の構造層を、前記スタック中に前記第1の構造層と隣接して配置する工程
を含んでいる請求項41に記載の方法。 - 前記形成工程が、
前記可動要素が前記第1の構造層と同一平面である平面内で運動できるように前記第1の構造層に前記可動要素を形成する工程
を含んでいる請求項34に記載の方法。 - 前記形成工程が、
前記可動要素が前記第1の構造層と同一平面である平面の外へと運動できるように前記第1の構造層に前記可動要素を形成する工程
を含んでいる請求項34に記載の方法。 - 工程(b)が、
工程(a)に先立ち、前記スタックの隣り合う構造層の組のそれぞれの対向する表面の少なくとも一方に接着材料を塗布する工程
を含んでいる請求項34に記載の方法。 - 前記接着材料がエポキシであり、前記塗布工程が、
前記スタックの隣り合う構造層の組のそれぞれの対向する表面の少なくとも一方に該エポキシを塗布する工程
を含んでいる請求項45に記載の方法。 - 工程(b)が、
工程(a)の後に、前記スタックの隣り合う構造層の組のそれぞれの対向する表面の少なくとも一方に塗布された前記エポキシを硬化させる工程
をさらに含んでいる請求項46に記載の方法。 - 前記硬化工程が、
前記エポキシを硬化させるべく前記スタックを加熱する工程
を含んでいる請求項47に記載の方法。 - (c)工程(a)に先立って、前記複数の構造層を形成する工程
をさらに含んでいる請求項34に記載の方法。 - 工程(c)が、
永久磁石を含んでいる構造層を形成する工程
を含んでいる請求項49に記載の方法。 - 工程(c)が、
高透磁率の磁性材料を含んでいる構造層を形成する工程
を含んでいる請求項49に記載の方法。 - 工程(c)が、
電磁石の少なくとも一部を含んでいる構造層を形成する工程
を含んでいる請求項49に記載の方法。 - 工程(c)が、
構造層の表面に少なくとも1つの電気コンタクト領域を形成する工程
を含んでいる請求項49に記載の方法。 - 工程(c)が、
開口を有する構造層を形成する工程
を含んでいる請求項49に記載の方法。 - 工程(c)が、
前記可動要素を有している前記第1の構造層を形成する工程
を含んでいる請求項49に記載の方法。 - 前記第1の構造層を形成する工程が、
前記第1の構造層に前記可動要素を形成する工程、および
前記第1の構造層に、前記可動要素に機械的に接続された少なくとも1つの可撓部分を形成する工程
を含んでいる請求項55に記載の方法。 - 前記第1の構造層を形成する工程が、
前記第1の構造層に、前記可動要素に電気的に接続された少なくとも1つのコンタクト領域を形成する工程
を含んでいる請求項55に記載の方法。 - 前記積層マイクロ機械構造が、係止付きのスイッチを含んでおり、
工程(c)が、
前記複数の構造層のうちの或る構造層の表面に、少なくとも1つの電子部品を形成する工程、および
該少なくとも1つの電子部品を、前記係止付きスイッチへと電気的に接続する工程
を含んでいる請求項49に記載の方法。 - 前記少なくとも1つの電子部品が、インダクタ、キャパシタ、および抵抗器の少なくとも1つを含んでおり、
前記電子部品の形成工程が、
前記インダクタ、キャパシタ、および抵抗器の少なくとも1つを、前記複数の構造層のうちの前記或る構造層の表面に形成する工程
を含んでいる請求項58に記載の方法。 - 前記積層マイクロ機械構造が、係止付きのスイッチを含んでおり、
工程(c)が、
前記複数の構造層のうちの或る構造層の表面に、アンテナ・パターンを形成する工程、および
該アンテナ・パターンを、前記係止付きスイッチへと電気的に接続する工程
を含んでいる請求項58に記載の方法。 - 請求項34に記載の方法によって組み立てられた係止付きマイクロ磁気スイッチ。
- 請求項34に記載の方法によって組み立てられた複数の係止付きマイクロ磁気スイッチ。
- 請求項34に記載の方法によって製造された積層されてなる複数の係止付きマイクロ磁気スイッチ。
- 請求項34に記載の方法によって製造された横方向に離間してなる複数の係止付きマイクロ磁気スイッチ。
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