JP2010269384A - バネの構造および当該バネを用いたアクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】作動部材63は第1の支持軸65によって中央近辺を回動自在に支持されている。作動部材63の左右両側には、支持軸65を挟んで両側にそれぞれ連動部材64a、64bが配置されている。連動部材64a、64bは、第2の支持軸69によって回動自在に支持され、また作動部材63に回動自在に連結されている。支持軸69は作動部材63と64a、64bの連結箇所よりも支持軸65に近くなっており、支持軸69よりも支持軸65に近い箇所に作用点部分70が定められている。
【選択図】図6
Description
例えば、特許文献1に記載されているMEMS素子では、端部どうしを対向させて2本のシグナルラインを基板上に配置し、両シグナルラインを挟むようにしてシグナルラインの両側に固定電極を設けている。また、基板の上方には、各固定電極と対向させるようにして駆動電極が対向し、両駆動電極間に設けられた接点部(接点開閉部)が両シグナルラインのそれぞれの端部(接点対)に接触離間自在に対向している。駆動電極および接点部は、バネによって基板の上方に弾性的に支持されている。
特許文献2に開示されているマイクロ接点開閉器は、複数組の接点対の開閉を行うことができる。すなわち、特許文献2に記載されたマイクロ接点開閉器では、帯板状をした可撓性を有するマイクロ可動部の中央を支点部によって非固定で支持し、マイクロ可動部の両端部にそれぞれ、基板上の下部電極に対向する上部電極と、基板上の一対の固定接点(固定接点対)と対向する可動接点とを設けたものである。
特許文献3に開示されたMEMSスイッチも上部電極と下部電極との間の静電引力によって上部電極と下部電極を吸着させ、シーソー状に支持された支持台の両端に設けられた第1及び第2接点部で伝送線路のギャップを開閉する構造となっている。このMEMSスイッチでは、上部電極が下部電極に吸着した側では接点部によって伝送線路のギャップが閉じられ、その反対側では伝送線路のギャップが強制的に開かれるようになっているので、伝送線路のギャップを開く際の信頼性が向上する。また、伝送線路はc接点構造となるように構成されている。
特許文献4に開示されたMEMSスイッチでは、基板の上方において内側作動部材と外側作動部材とをシーソー状に支持し、内側作動部材と基板上の第1又は第2固定電極との間に働く静電引力によって内側作動部材をいずれかの方向へ傾かせるようにしている。外側作動部材は内側揺動部材の加圧棒で押圧されることによって内側作動部材と連動して傾き、外側作動部材の両端に設けられた第1、第2接触部材で第1、第2信号ラインのギャップを開閉する構造となっている。このMEMSスイッチでも、内側作動部材が第1又は第2固定電極に吸着した側では第1又は第2接触部材によって第1又は第2信号ラインのギャップが閉じられ、その反対側では第1又は第2信号ラインのギャップが強制的に開かれるようになっているので、信号ラインのギャップを開く際の信頼性が向上する。
特許文献5に開示されたマイクロリレーは、電磁石を用いてアーマチュアを駆動するようにしたものである。すなわち、このマイクロリレー11では、図1に示すように、ベース基板12において薄膜13の両端部にはそれぞれ一対の固定接点14a、14c;14b、14cが設けられている。薄膜13の下面において、ベース基板12に形成された空洞部内には、電磁石15が納められる。ベース基板12の上に重ねられるアーマチュアブロック16においては、アーマチュア17の両側面に設けられた突片18によってアーマチュア17をフレーム部19に回動自在に支持させてあり、アーマチュア17の両端部に配置された可動接点基台部20は接圧バネ部21によってアーマチュア17に支持されている。そして、ベース基板12の上面にアーマチュアブロック16を重ねて置いた場合には、一方の可動接点基台部20の下面の可動接点が固定接点14a、14cに対向し、他方の可動接点基台部20の下面の可動接点が固定接点14b、14cに対向する。
特許文献6に開示の電磁リレー31は、図3に示すように、プリント回路カード32の上に、板バネ状の接触素子支持体33、接触子34、電磁石(図示せず)を重ねた構造となっている。図4に示すように、プリント回路カード32の上面には、導体路35a、35b、35cが形成されており、導体路35cの端部を挟んで左右に導体路35a、35bが配置されている。接触素子支持体33は、基部を固定されており、基部からは一対のフレキシブルアーム36、37が延出し、フレキシブルアーム36、37の先端部下面に接触素子38が設けられている。接触子34は左右が上下に揺動するよう軸39によって回動自在に支持されており、電磁石によって右側で下がった状態と左側で下がった状態とに切り換えられる。そして、接触子34が左側で下がると、フレキシブルアーム36の突部40が接触子34で押さえられてフレキシブルアーム36の先端が下がり、その接触素子38によって導体路35a、35c間が閉じられる。反対に、接触子34が右側で下がると、フレキシブルアーム37の突部40が接触子34で押さえられてフレキシブルアーム37の先端が下がり、その接触素子38によって導体路35b、35c間が閉じられる。
図5(a)は従来例のミラーデバイスを示す平面図、図5(b)は図5(a)のX−X線断面図、図5(c)は図5(a)のY−Y線断面図である。このミラーデバイス41は、基板42の上方に円板状をしたミラー43を水平に配置し、ミラー43の両端をジグザグに蛇行したバネ44によって支持したものである。バネ44どうしを結ぶ線分の両側では、ミラー43の下面と対向させて基板42の上面に下部電極45を設けてあり、ミラー43の下面の下部電極45と対向する面には上部電極46を形成している。このミラーデバイス41では、いずれかの側の上部電極46と下部電極45の間に電位差を与えると、その上部電極46が下部電極45に引かれてミラー43が傾く。このようなミラーデバイスとしては、特許文献7により開示されたものがある。
以下、図6を参照して本発明の実施形態1によるバネの構造を説明する。このバネ61は、MEMS技術を利用してSi等の半導体基板(ウエハ)から一体物として作製される微小なMEMSバネであって、主としてリレーやミラーデバイスなどのアクチュエータに使用されるものである。
バネ61は、主としてフレーム62(支持部材)、作動部材63、連動部材64a、64bによって構成されている。作動部材63はほぼ長方形板状に形成されており、一直線上に配置された左右2本の第1の支持軸65によって中央付近を回動自在に支持されている。支持軸65は左右方向に長い短冊状に形成されており、他端がフレーム62の内周部に結合している。作動部材63は支持軸65を弾性的にねじれ変形させることでシーソー状に回動し、作動部材63の両端部が上下方向に移動する。なお、バネ61の厚み方向を上下方向と呼び、作動部材63の長さ方向及びバネ61の厚み方向に直交する方向を左右方向と呼ぶものとする。
図7(a)、(b)及び(c)は、上記バネ61の動作を説明するための概略側面図である。バネ61に外部から力が加わっていない場合には、図7(a)に示すように、バネ61は一枚の平板のように平らになっている。
本実施形態のバネ61は、上記のような構造及び動作を有しているので、以下に説明するような特徴を備えている。バネ61は、支持軸65の両側において作動部材63の端部から折り返すようにして連動部材64a、64bを設けられているので、各作用点部分70を支持軸65の近傍で昇降動作させることができる。よって、支持軸65を挟んで配置された作用点部分70どうし距離を短くできるとともに、対象物αどうしの距離も短くすることができる。
図13は実施形態1の変形例によるバネ81を示す平面図である。実施形態1のバネ61では、連動部材64a、64bは連動部材本体72と作用点バネ部74に分割されていて、連動部材本体72と作用点バネ部74を連結軸73で結合した構造となっていたが、この変形例のバネ81では、連動部材64a、64bを分割しないで単純な形状としている。よって、この変形例によれば、製作や設計が簡単になる。
図14は、本発明の実施形態2によるバネ91の構造を示す斜視図である。このバネ91は、下面から見たときには、実施形態1のバネ61と同形状となっている。しかし、バネ91は、支持軸65と平行な方向の接続部分の厚みを大きくした点を特徴としている。すなわち、バネ91では、フレーム62の上に補強部92を形成してフレーム部分の厚みを厚くしている。また、支持軸69から連動部材本体72へ延長した領域の上面にも補強部93を形成して支持軸部分の厚みも厚くしている。さらに、連結軸67から連動部材本体72へ延長した領域の上面に補強部94を形成してこの支持軸部分の厚みも厚くしている。連結軸73から連動部材本体72へ延長した領域の上面にも補強部95を形成して連結軸部分の厚みも厚くしている。
図16は、実施形態2の変形例を示す平面図である。この変形例によるバネ101では、図16においてハッチングを施した領域の厚みを大きくしている。すなわち、左右に一直線状に並んだ連結軸67の端から端までを補強部102とし、その厚みを大きくしている。また、左右に一直線状に並んだ支持軸65の端から端までを補強部103とし、その厚みを大きくしている。特に、補強部103では、その長さ方向に垂直な断面のアスペクト比が1.5以上となるようにしている。
図17は、本発明の実施形態3によるバネ111の構造を示す平面図である。このバネ111にあっては、作動部材63の端部側面から連結軸67を延出させ、略U字状に屈曲した平面形状を有する連動部材64a、64bの基端部を連結軸67に結合させ、連動部材64a、64bの先端部、すなわち最も支持軸65に近い箇所に作用点部分70を定めている。また、連動部材64a、64bの支持軸65からもっとも離れた箇所からは、支持軸65から遠くなる方向に向けて支持軸69を延出させ、その支持軸69をフレーム62の内周部に結合させている。したがって、バネ111を側面から観察した状態では、連結軸67(作動部材63での連動部材64a、64bの支持点Q)が支持軸69(フレーム62での連動部材64a、64bの支持点P)よりも支持軸65(フレーム62での作動部材63の支持点R)に近くなっており、作用点部分70が連結軸67よりも支持軸65に近くなるように配置されている。
図19は実施形態3の変形例によるバネ121の平面図である。この112変形例は、連動部材64a、64bを実施形態3のように略U字状に屈曲させないで、まっすぐな形状にしたものである。
図21は、本発明の実施形態4による高周波リレー131の構造を示す断面図である。この高周波リレー131は、10GHz帯の高周波信号をオン/オフするためのリレーである。
図23は、本発明の実施形態5による高周波リレー151の構造を示す断面図である。この高周波リレー151は、電極間の静電引力によってバネ136を駆動するようにしたものである。駆動手段以外については、実施形態4と同様であるので、実施形態4と異なる点だけを説明する。この高周波リレー151では、バネ136の作動部材63の上面に金属板等からなる可動電極板153を一体に接合してあり、さらに可動電極板153の上面を絶縁膜154で覆っている。また、上方を覆っているカバー143の下面には、可動電極板153の両端部に対向させてそれぞれ固定電極152a、152bを設けている。可動電極板153はグランド電位に保っている。従って、高周波リレー151に流れる高周波信号は可動電極板153によってシールドされる。
図24は、本発明の実施形態6によるミラーデバイス161の構造を示す断面図である。図25は、ミラーデバイス161に用いられるバネ163の平面図である。
上記のバネはいずれも作動部材63の左右両側に連動部材64a、64bを設けているので、4つの作用点部分70を有している。これに対し、支持軸65を挟んでその両側に連動部材64a、64bを1つずつ設け、連動部材64a、64bを挟んでその左右にそれぞれ作動部材63を設けてもよい。このような構造では、2つの作用点部分70が設けられる。
62 フレーム
63 作動部材
64a、64b 連動部材
65 支持軸
67 連結軸
68 弾性伸縮部
69 支持軸
70 作用点部分
72 連動部材本体
73 連結軸
74 作用点バネ部
92、93、94、95、102、103 補強部
131、151 高周波リレー
132 ベース基板
133a、133b、133c 固定接点
136 バネ
137 鉄片
138 永久磁石
139 マグネット
144a、144b 可動接点
152a、152b 固定電極
153 可動電極板
161 ミラーデバイス
167 ミラー
Claims (10)
- 支持部材と、
第1の支持軸によって中央近辺を前記支持部材に回動自在に支持された作動部材と、
前記第1の支持軸を挟んでその両側にそれぞれ配置され、第2の支持軸によって前記支持部材に回動自在に支持され、前記作動部材と回動自在に連結され、前記第2の支持軸及び前記作動部材との連結部分よりも前記第1の支持軸に近い箇所に作用点が定められた複数個の連動部材と、
を備えたことを特徴とするバネの構造。 - 前記連動部材は、前記作動部材との連結部分よりも前記第1の支持軸に近い箇所で前記支持部材に回動自在に支持されていることを特徴とする、請求項1に記載したバネの構造。
- 前記連動部材は、前記第1の支持軸を基準として前記作動部材との連結部分よりも遠くに位置する部分で前記支持部材に回動自在に支持されていることを特徴とする、請求項1に記載したバネの構造。
- 前記連動部材が前記作動部材に連結されている領域、前記作動部材が前記第1の支持軸によって支持されている領域、あるいは前記連動部材が前記第2の支持軸によって支持されている領域のうち少なくとも1つの領域を補強部とし、前記補強部の厚みを補強部以外の厚みよりも厚くしたことを特徴とする、請求項1に記載したバネの構造。
- 前記連動部材は、一端を作動部材に回動自在に連結され他端を前記第2の支持軸によって前記支持部材に支持された連動部材本体と、一端に作用点を定められた作用点バネ部とからなり、
前記連動部材本体と前記作用点バネ部との連結領域に、補強部以外の厚みよりも厚い補強部を形成したことを特徴とする、請求項4に記載したバネの構造。 - 前記バネはSOI基板を用いて作製されたものであり、
前記補強部はSOI基板の全厚みを用いて作製され、他の部分はSOI基板の一部の厚みを用いて作製されていることを特徴とする、請求項4または5に記載したバネの構造。 - 前記連動部材は、前記作動部材との連結部分と前記第2の支持軸の中間に、弾性的に伸縮する弾性伸縮部を有することを特徴とする、請求項1に記載したバネの構造。
- 前記バネは前記第1の支持軸に関して対称な形状を有し、かつ、前記第1の支持軸に直交する方向に延びたある線分に関して対称な形状を有することを特徴とする、請求項1に記載したバネの構造。
- 請求項1に記載したバネと、前記バネの前記作動部材を前記第1の支持軸の回りに回転駆動させるための駆動源とを備えたアクチュエータ。
- 請求項1に記載したバネと、
前記バネの前記作動部材を前記第1の支持軸の回りに回転駆動させるための駆動源と、
前記バネの前記作用点となる領域に設けた複数の可動接点と、
前記可動接点のうちある可動接点と対向する位置に設けた第1の固定接点と、
前記可動接点のうち別な可動接点と対向する位置に設けた第2の固定接点と、
近接した前記可動接点の双方に対向する位置に設けた第3の固定接点とを備えたリレー。
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