JP2012212581A

JP2012212581A - Ｍｅｍｓリレー

Info

Publication number: JP2012212581A
Application number: JP2011078128A
Authority: JP
Inventors: Takeo Shirai; 健雄白井; Koji Yokoyama; 浩司横山
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-11-01

Abstract

【課題】駆動電圧の低電圧化を図ることが可能なＭＥＭＳリレーを提供する。
【解決手段】ベース基板１と、可動部形成基板２と、カバー基板３と、ベース基板１に収納された電磁石装置４とを備える。可動部形成基板２は、ベース基板１とカバー基板３との間に介在するフレーム部２１と、フレーム部２１の内側に配置されフレーム部２１に第１ばね部２２を介して揺動自在に支持された可動部２３と、可動部２３における電磁石装置４側である一面側に配置されヨーク４０とともに磁気回路を構成する磁性体板からなるアーマチュア２４と、可動部２３に支持されアーマチュア２４の揺動に伴って固定接点１４に接離する可動接点２７が設けられた接点保持部２８とを備える。また、可動部形成基板２は、アーマチュア２４においてヨーク４０の各側片４０ｂの各々の先端面に対向する部位から一体に突設されたストッパ部２４ｂを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）リレーに関するものである。

従来から、半導体微細加工技術を用いて形成される小型のリレーとして、電磁石装置を備えた電磁駆動型のマイクロリレーが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、図７に示すように、ベース基板１０１と、電磁石装置１０２と、電磁石装置１０２との間で作用する磁力によりシーソ動作するアマチュア１３０を有するアマチュアブロック１０３と、カバー１０４とを備えたマイクロリレーが開示されている。ここで、ベース基板１０１は、矩形板状に形成されている。また、アマチュア１３０は、矩形板状に形成されている。

また、電磁石装置１０２は、上方に開放されたコ字状のヨーク１２０における矩形板状のコイル巻片１２０ａに２個のコイル１２２を巻装してある。また、コイル巻片１２０ａの長手方向の中央部であって両コイル１２２の間には、直方体状の永久磁石１２１が配置されている。

アマチュアブロック１０３は、矩形枠状のフレーム１３１の内側に上述のアマチュア１３０が配置されている。アマチュア１３０は、可動基板１３０ａと、可動基板１３０ａの厚み方向のうちベース基板１０１に設けた蓋板１１７と対向する一面に積層された接極子板１３０ｂと、可動基板１３０ａの厚み方向のうちカバー１０４の内底面と対向する一面に積層された接極子板１３０ｃとで形成されている。ここで、可動基板１３０ａは、半導体基板から形成されている。また、接極子板１３０ｂ，１３０ｃは、電磁石装置１０２との間で磁力が生じる磁性体材料により形成されている。また、蓋板１１７は、シリコン薄板やガラス薄板により形成されている。

可動基板１３０ａの長手方向に沿った各側縁の両端部および各側縁の中央部には、それぞれ第１突片、第２突片が突設されている。また、各第１突片において蓋板１１７との対向面には、先細りになった四角錐台状のストッパ突起１３３ａが突設され、各第２突片において蓋板１１７との対向面には、先細りになった四角錐台状の支点突起１３６ｂが突設されている。ここで、支点突起１３６ｂの先端は、つねに蓋板１１７に当接し、アマチュア１３０がシーソ動作する際の支点を規定する機能を有する。また、ストッパ突起１３３ａの先端は、アマチュア１３０がシーソ動作したときにベース基板１０１またはベース基板１０１に固着した部材に先端が当接することによってアマチュア１３０の移動範囲を規制する機能を有する。

また、アマチュアブロック１０３には、アマチュア１３０の長手方向における各端縁とフレーム１３１との間にそれぞれ可動接点基台１３４が設けられている。そして、各可動接点基台１３４の下面には、それぞれ導電性材料からなる可動接点１３９が固着されている。各可動接点基台１３４は、それぞれ２本の接圧ばね（図示せず）を介して可動基板１３０ａに連結されている。

次に、上述したマイクロリレーの動作を説明する。上述のマイクロリレーは、２個のコイル１２２を備えているが、両コイル１２２は直列または並列に接続されているから、１個のコイルを設けている場合と等価である。アマチュア１３０に設けた接極子板１３０ｂは、長手方向の中央部において永久磁石１２１の一方の磁極に蓋板１１７を介して対向し、長手方向の両端部においてヨーク１２０の各脚片１２０ｂの先端面に蓋板１１７を介して対向している。コイル１２２に通電すると、コイル１２２により生じた磁束は、ヨーク１２０の一方の脚片１２０ｂでは永久磁石１２１により生じている磁束と同じ向きになり、他方の脚片１２０ｂでは永久磁石１２１により生じている磁束と逆向きになる。したがって、マイクロリレーは、上記一方の脚片１２０ｂの先端面と接極子板１３０ｂ，１３０ｃとの間に吸引力が作用し、接極子板１３０ｂ，１３０ｃの長手方向の端部が上記一方の脚片１２０ｂの先端面に吸引される。つまり、マイクロリレーは、両支点突起１３６ｂの先端間を結ぶ直線付近を支点として、アマチュア１３０が傾く。このとき、マイクロリレーは、アマチュア１３０の長手方向の各端部に対応する部位に設けた可動接点基台１３４のうち、ヨーク１２０の脚片１２０ｂからの吸引力を受けた一端部側の可動接点基台１３４がベース基板１０１に近付くから、この可動接点基台１３４に設けた可動接点１３９が対向する一対の固定接点１１４に接触し、両固定接点１１４間を可動接点１３９で短絡する。

特開２００５−２１６５５４号公報

上述のマイクロリレーでは、アマチュア１３０の長手方向の各端部に対応する部位に設けた可動接点基台１３４のうち、ヨーク１２０の脚片１２０ｂからの吸引力を受けた一端部側の可動接点基台１３４に設けた可動接点１３９が対向する一対の固定接点１１４に接触する。しかしながら、上述のマイクロリレーでは、ヨーク１２０の脚片１２０ｂとアマチュア１３０との間に、蓋板１１７と空間とが存在するため、磁気効率が低下し、所望の接圧（接触圧）を確保するために必要な駆動電圧が高くなってしまい、消費電力が大きくなってしまう。

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、駆動電圧の低電圧化を図ることが可能なＭＥＭＳリレーを提供することにある。

本発明のＭＥＭＳリレーは、厚み方向の一表面側に固定接点が設けられたベース基板と、前記ベース基板の前記一表面側に対向配置されたカバー基板と、前記ベース基板に収納された電磁石装置と、前記ベース基板と前記カバー基板との間に配置された可動部形成基板とを備え、前記ベース基板は、一表面側に前記固定接点が形成される基板と、前記基板の厚み方向に貫通した開口部の内周面と前記基板の前記一表面側で前記開口部を閉塞する蓋体部とで囲まれ前記電磁石装置が収納される収納部とを有し、前記電磁石装置は、Ｕ字状のヨークと、前記ヨークの両側片の間のコイル巻回部に巻回されたコイルとを有し、前記両側片の各先端面が前記蓋体部に接するように前記収納部に収納されてなり、前記可動部形成基板は、前記ベース基板と前記カバー基板との間に介在するフレーム部と、前記フレーム部の内側に配置され前記フレーム部に第１ばね部を介して揺動自在に支持された可動部と、前記可動部における前記電磁石装置側である一面側に配置され前記ヨークとともに磁気回路を構成する磁性体板からなるアーマチュアと、前記可動部に支持され前記アーマチュアの揺動に伴って前記固定接点に接離する可動接点が設けられた接点保持部と、前記アーマチュアにおいて前記ヨークの前記各側片の各々の前記先端面に対向する部位から一体に突設されたストッパ部とを有することを特徴とする。

このＭＥＭＳリレーにおいて、前記電磁石装置は、前記コイル巻回部の長手方向の中央部に重ねて配置され前記中央部と前記蓋体部との間に介在する永久磁石を備え、前記アーマチュアにおいて前記永久磁石に対向する部位から一体に突設された支点突起を備えることが好ましい。

本発明のＭＥＭＳリレーにおいては、駆動電圧の低電圧化を図ることが可能となる。

実施形態１のＭＥＭＳリレーの概略断面図である。同上のＭＥＭＳリレーの概略分解斜視図である。同上のＭＥＭＳリレーにおける可動部形成基板の概略分解斜視図である。同上のＭＥＭＳリレーにおける可動部形成基板を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は要部概略断面図、（ｃ）は要部概略下面図である。同上のＭＥＭＳリレーを示し、ベース基板側から見た概略斜視図である。実施形態２のＭＥＭＳリレーの概略断面図である。従来例のマイクロリレーの概略断面図である。

（実施形態１）
以下、本実施形態のＭＥＭＳリレーについて図１〜図５を参照しながら説明する。

ＭＥＭＳリレーは、ベース基板１と、ベース基板１の一表面側に対向配置されたカバー基板３と、ベース基板１に形成された収納部１６に収納された電磁石装置４と、ベース基板１とカバー基板３との間に配置された可動部形成基板２とを備えている。このＭＥＭＳリレーは、可動部形成基板２に設けられた磁性体板からなるアーマチュア２４を電磁石装置４によって動かすことにより、ベース基板１の上記一表面側に設けられた固定接点１４と可動部形成基板２に設けられた可動接点２７とが接離する電磁駆動型のリレーである。なお、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、ベース基板１およびカバー基板３の外形サイズを、可動部形成基板２の外形サイズと同じ外形サイズに設定してある。

以下、ＭＥＭＳリレーの各構成要素について詳細に説明する。

ベース基板１は、絶縁性基板の一種であるガラス基板からなる基板１０（以下、第１の基板１０と称する）を用いて形成されている。第１の基板１０は、ガラス基板に限らず、例えば、高抵抗率のシリコン基板や、低温同時焼成セラミック基板（Low Temperature Co-fired Ceramic Substrate：ＬＴＣＣ基板）を用いてもよい。第１の基板１０として用いるガラス基板のガラス材料としては、硼珪酸ガラスを採用しているが、これに限らず、ソーダガラス、無アルカリガラス、石英ガラスなどを採用してもよい。硼珪酸ガラスとしては、例えば、パイレックス（登録商標）やテンパックス（登録商標）を採用することができる。また、高抵抗率のシリコン基板としては、例えば、ＭＥＭＳリレーを高周波信号の伝送用に用いる場合、抵抗率がより高い方が好ましく、例えば、伝送対象の高周波信号の周波数が６ＧＨｚであれば、抵抗率が１００Ωｃｍ以上であることが好ましく、１０００Ωｃｍ以上であることがより好ましい。また、伝送対象の高周波信号の周波数が高いほど、抵抗率が高い方が好ましい。

上述のベース基板１は、矩形板状に形成されており、上記一表面側において第１の基板１０の長手方向の両端部それぞれに一対の信号線１３，１３が形成されている。ここで、各一対の信号線１３，１３は、ベース基板１の上記一表面側において第１の基板１０の短手方向に沿って配置されている。また、ベース基板１は、各信号線１３の各々の一端部に、上述の固定接点１４が設けられ、各信号線１３の各々の他端部が、第１の基板１０の厚み方向に貫設された貫通孔配線１５と電気的に接続されている。

また、信号線１３は、金属層（例えば、Ａｕ層）により構成されている。信号線１３の材料としては、例えば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓの群から選択される１種あるいはこれらの合金を採用することができる。

固定接点１４の材料としては、例えば、Ａｕなどの導電性が良好な金属材料を採用することが好ましい。また、固定接点１４は、例えば、スパッタ法、電気めっき法、真空蒸着法などを利用して形成すればよい。なお、固定接点１４は、単層構造に限らず、多層構造でもよい。また、固定接点１４の材料は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕや、これらの合金などを採用することができる。

また、ベース基板１において上述の貫通孔配線１５が内側に設けられた貫通孔１２（図５参照）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開口面積が徐々に大きくなるテーパ形状に形成されている。ここで、貫通孔配線１５は、貫通孔１２の内面に沿って形成されベース基板１の上記一表面側において貫通孔１２を閉塞している。

また、ベース基板１は、上述のように電磁石装置４を収納する収納部１６が形成されている。ここで、ベース基板１は、第１の基板１０の中央部に、厚み方向に貫通し電磁石装置４が挿入され収納される開口部１７が形成されている。また、ベース基板１は、第１の基板１０における可動部形成基板２側の一表面側に、開口部１７を閉塞する薄膜状の蓋体部１８が接合されている。要するに、ベース基板１は、開口部１７の内周面と蓋体部１８とで囲まれた空間が収納部１６を構成している。これにより、本実施形態のＭＥＭＳリレーは、ベース基板１と可動部形成基板２のフレーム部２１とカバー基板３とで囲まれた空間を、気密空間とすることが可能となっている。なお、蓋体部１８の材料としては、Ｓｉを採用しているが、これに限らず、例えば、ガラスを採用してもよい。蓋体部１８の厚さは、電磁石装置４からアーマチュア２４に作用させる吸引力などの観点から５μｍ〜５０μｍ程度が好ましく、蓋体部１８の機械的強度などの観点から２０μｍ〜３０μｍ程度がより好ましい。

上述の開口部１７は、第１の基板１０の上記一表面から他表面に近づくにつれて開口面積が徐々に大きくなるテーパ形状となっている。しかして、ベース基板１は、可動部形成基板２側とは反対側から電磁石装置４を挿入し易く、且つ、第１の基板１０の上記一表面における開口部１７の開口面積を比較的小さくすることができる。なお、上述の開口部１７および貫通孔１２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い。

電磁石装置４は、Ｕ字状のヨーク４０と、ヨーク４０に巻回された２つのコイル４２，４２とを備えている。ヨーク４０は、両コイル４２，４２が直接巻回される細長の矩形板状のコイル巻回部４０ａと、コイル巻回部４０ａの長手方向の両端部それぞれからコイル巻回部４０ａの厚み方向に延設された側片４０ｂ，４０ｂとを有している。そして、ヨーク４０は、コイル４２，４２への励磁電流に応じて一対の側片４０ｂ，４０ｂの互いの先端面が異極に励磁される。なお、ヨーク４０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、両側片４０ｂ，４０ｂの断面が矩形状となっている。

また、電磁石装置４は、ヨーク４０の両側片４０ｂ，４０ｂの間でコイル巻回部４０ａ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４１を備えている。しかして、電磁石装置４は、永久磁石４１とヨーク４０の側片４０ｂ，４０ｂとによって、コイル巻回部４０ａの長手方向への各コイル４２，４２の移動が規制される。

上述の電磁石装置４は、２つのコイル４２，４２に励磁電流を通電したときに電磁力を発生するものであり、当該電磁力によって、矩形板状のアーマチュア２４の長手方向の両端部のうちの一方を吸引する吸引力、当該両端部のうちの他方を反発する反発力を発生させることができる。

永久磁石４１は、厚み方向の両面それぞれの磁極面が異極に着磁されており、一方の磁極面がヨーク４０のコイル巻回部４０ａに当接し、他方の磁極面がヨーク４０の両側片４０ｂ，４０ｂ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。ここにおいて、上述の電磁石装置４は、ヨーク４０の両側片４０ｂ，４０ｂの各先端面および永久磁石４１の上記他方の磁極面が蓋体部１８に当接する形で収納部１６に収納されている。しかして、ＭＥＭＳリレーは、電磁石装置４における永久磁石４１の上記他方の磁極面とヨーク４０の両側片４０ｂ，４０ｂの先端面とを同一平面上に位置させることができるので、ヨーク４０および永久磁石４１それぞれとアーマチュア２４との間の各ギャップ長の精度を高めることが可能となる。

また、電磁石装置４は、細長の矩形板状に形成されたプリント基板４３を備えている。このプリント基板４３は、絶縁性基板４３ａの一表面における長手方向の両端部それぞれに導体パターン４３ｂ，４３ｂが形成されており、各導体パターン４３ｂ，４３ｂにおいて円形状に形成された部位が外部接続用電極４３ｂａ，４３ｂａを構成し、矩形状に形成された部位がコイル接続部４３ｂｂ，４３ｂｂを構成している。ここにおいて、コイル接続部４３ｂｂ，４３ｂｂには、コイル４２，４２の端末が接続される。コイル４２，４２は、外部接続用電極４３ｂａ，４３ｂａ間に電源を接続してコイル４２，４２へ励磁電流を流したときにヨーク４０の両側片４０ｂ，４０ｂ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。

可動部形成基板２は、高抵抗率のシリコン基板からなる半導体基板２０を用いて形成されている。ここで、高抵抗率のシリコン基板としては、例えば、ＭＥＭＳリレーを高周波信号の伝送用に用いる場合、抵抗率がより高い方が好ましく、例えば、伝送対象の高周波信号の周波数が６ＧＨｚであれば、抵抗率が１００Ωｃｍ以上であることが好ましく、１０００Ωｃｍ以上であることがより好ましい。また、伝送対象の高周波信号の周波数が高いほど、抵抗率が高い方が好ましい。半導体基板２０は、高抵抗率のシリコン基板に限らず、例えば、シリコン層／絶縁層（ＳｉＯ_２層）／シリコン層の３層構造を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板や、シリコン層／絶縁層（ＳｉＯ_２層）／シリコン層／絶縁層（ＳｉＯ_２層）／シリコン層の５層構造（ダブルＳＯＩ構造）を有するダブルＳＯＩ基板などを用いてもよいが、各シリコン層は高抵抗率のシリコン層であることが好ましい。

可動部形成基板２は、ベース基板１とカバー基板３との間に介在するフレーム部２１と、フレーム部２１の内側に配置されフレーム部２１に４つの第１ばね部（支持ばね部）２２を介して揺動自在に支持された可動部２３とを有している。また、可動部形成基板２は、可動部２３における一面側（電磁石装置４側）に配置され電磁石装置４とともに磁気回路を構成する上述のアーマチュア２４と、アーマチュア２４の中央部との間に可動部２３を挟んで配置されたプレート２５とを有している。

上述の可動部形成基板２は、フレーム部２１が、矩形枠状に形成され、可動部２３が、矩形板状に形成されている。また、アーマチュア２４は、可動部２３よりも小さな矩形板状に形成されている。また、プレート２５は、長手方向の寸法が可動部２３の短手方向の寸法よりもやや大きな細長の板状に形成されており、長手方向の両端部が先細り状の形状となっている。そして、プレート２５は、可動部２３の長手方向の中央部において、当該プレートの長手方向を可動部２３の短手方向に合わせて配置されている。なお、プレート２５の形状は、特に限定するものではなく、例えば、長方形状でもよいし、菱形状でもよい。

アーマチュア２４を構成する磁性体板の材料としては、鉄−コバルト合金からなる磁性体材料を採用しているが、これに限らず、例えば、電磁軟鉄、電磁ステンレス、パーマロイなどの磁性体材料であればよい。

また、プレート２５の材料としては、フェライト系ステンレス鋼の一種であるＳＵＳ４３０を採用しているが、これに限らず、例えば、ＳＵＳ４３０以外のステンレス鋼や、金属、合金などを採用してもよい。

プレート２５は、可動部２３の厚み方向に貫通した貫通孔２９を通してアーマチュア２４に溶接されている。プレート２５をアーマチュア２４に溶接するにあたっては、可動部２３の上記一面側にアーマチュア２４を配置し他面側にプレート２５を配置した状態で、プレート２５において貫通孔２９に対応する部分にレーザ光を照射してプレート２５を局所的に溶融させてアーマチュア２４に溶接させるようにしている。要するに、プレート２５は、アーマチュア２４にレーザ溶接法により溶接されている。なお、レーザ溶接法により溶接する際のレーザ光源としては、例えば、ＹＡＧレーザを用いればよいが、これに限定するものではなく、例えば、プレート２５の材料に応じて適宜変更してもよい。

可動部２３には、上述の貫通孔２９が２つ形成されている。これら２つの貫通孔２９は、可動部２３の長手方向の中央部において可動部２３の短手方向に沿った中心線上で並んで形成されている。また、各貫通孔２９は、円形状の開口形状となっている。これに対して、プレート２５は、長手方向の寸法が、可動部２３の短手方向の寸法よりも大きな値に設定されている。また、プレート２５は、長手方向の中間部における短手方向の寸法が、貫通孔２９の内径よりも大きな値に設定されている。なお、各貫通孔２９の開口形状は特に限定するものではない。要するに、プレート２５の短手方向の寸法は、可動部２３の上記他面における貫通孔２９の最大寸法（可動部２３の長手方向における貫通孔２９の最大寸法）よりも大きな値であればよい。

そして、プレート２５は、可動部２３の各貫通孔２９を通してアーマチュア２４に溶接されている。要するに、プレート２５は、アーマチュア２４に２箇所が溶接されている。なお、溶接箇所は、２箇所に限定するものではない。

ところで、可動部形成基板２は、可動部２３とアーマチュア２４とプレート２５とを含む部分が、可動部２３の短手方向に沿った中心線に対して対称となり、且つ、可動部２３の長手方向に沿った中心線に対して対称となるように、可動部２３の上記一面におけるアーマチュア２４の配置領域を規定し、可動部２３の上記他面におけるプレート２５の配置領域を規定している。要するに、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、可動部２３の重心とアーマチュア２４およびプレート２５各々の重心とが一直線上に位置するように上記各配置領域を規定している。さらに、可動部形成基板２は、可動部２３の短手方向に沿った中心線に対して対称となり、且つ、可動部２３の長手方向に沿った中心線に対して対称となるように設計してある。

また、可動部形成基板２は、可動部２３に、可動部２３の上記一面から突設されアーマチュア２４を位置決めする第１突起２３ｇ（図３、図４参照）と、可動部２３の上記他面から突設されプレート２５を位置決めする第２突起２３ｆ（図２、図４参照）とが一体に設けられている。

第１突起２３ｇの突出寸法は、第１突起２３ｇがアーマチュア２４の揺動範囲を狭めないように、アーマチュア２４の厚さ寸法よりも小さい方が好ましい。例えば、アーマチュア２４の厚さ寸法が１００μｍの場合、第１突起２３ｇの突出寸法は、１０μｍ程度であれば十分である。なお、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。

また、第２突起２３ｆの突出寸法は、第２突起２３ｆがプレート２５の揺動範囲を狭めないように、プレート２５の厚さ寸法よりも小さい方が好ましい。例えば、プレート２５の厚さ寸法が１００μｍの場合、第２突起２３ｆの突出寸法は、１０μｍ程度であれば十分である。なお、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。

また、可動部形成基板２は、第１突起２３ｇおよび第２突起２３ｆの各々を複数備え、複数の第１突起２３ｇが、可動部２３の上記一面側においてアーマチュア２４の規定の配置領域を囲むように配置され、複数の第２突起２３ｆが、可動部２３の上記他面側においてプレート２５の規定の配置領域を囲むように配置されていることが好ましい。要するに、可動部形成基板２は、複数の第１突起２３ｇが、アーマチュア２４の外周に沿って配置され、複数の第２突起２３ｆが、プレート２５の外周に沿って配置されている。本実施形態では、第１突起２３ｇの数を８個、第２突起２３ｆの数を６個としてあるが、これらの数は特に限定するものではない。ただし、第１突起２３ｇは、可動部２３の上記一面側において、可動部２３の短手方向に沿った中心線に対して線対称に配置され、且つ、可動部２３の長手方向に沿った中心線に対して線対称に配置されていることが好ましい。また、第２突起２３ｆは、可動部２３の上記他面側において、可動部２３の短手方向に沿った中心線に対して線対称に配置され、且つ、可動部２３の長手方向に沿った中心線に対して線対称に配置されていることが好ましい。各第１突起２３ｇおよび各第２突起２３ｆは、各々、平面形状を矩形状としてあるが、これらの形状は矩形状に限らず、例えば、円形状、三角形状、多角形状でもよい。また、複数の第１突起２３ｇは、全てが同じ形状である必要はない。また、複数の第２突起２３ｆは、全てが同じ形状である必要はない。また、第１突起２３ｇについては、可動部２３の上記一面側においてアーマチュア２４の規定の配置領域を囲む枠状の形状として１個だけにしてもよい。また、第２突起２３ｆについては、可動部２３の上記他面側においてプレート２５の規定の配置領域を囲む枠状の形状として１個だけにしてもよい。また、第１突起２３ｇは、アーマチュア２４の規定の配置領域との間に所定の第１隙間（例えば、１０μｍ程度）を設けるように形成位置を設計してある。これにより、アーマチュア２４の配置が容易になるとともに、アーマチュア２４の寸法公差などに起因してアーマチュア２４を配置できないような不具合の発生を抑制することが可能となる。また、第２突起２３ｆは、プレート２５の規定の配置領域との間に所定の第２隙間（例えば、１０μｍ程度）を設けるように形成位置を設計してある。これにより、プレート２５の配置が容易になるとともに、プレート２５の寸法公差などに起因してプレート２５を配置できないような不具合の発生を抑制することが可能となる。

可動部形成基板２は、可動部２３の厚みがフレーム部２１の厚みよりも薄く、アーマチュア２４の厚み寸法を、可動部形成基板２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２４とベース基板１との間に適宜の空隙が形成されるように設定してある。また、プレート２５の厚み寸法は、可動部２３とカバー基板３との間に適宜の空隙が形成されるように設定されている。

本実施形態では、フレーム部２１の厚さを２００μｍ、可動部２３の厚さを５０μｍ、アーマチュア２４の厚さを１００μｍ、プレート２５の厚さを１００μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。例えば、半導体基板２０としてシリコン基板を用いる場合、このシリコン基板の基礎となるシリコンウェハの厚さに応じて適宜変更してもよく、例えば、５０μｍ〜１０００μｍ程度の範囲で設定してもよく、半導体基板２０の厚さ寸法に基づいて、可動部２３の厚さ、アーマチュア２４の厚さ、およびプレート２５の厚さ、それぞれを適宜変更すればよい。ただし、アーマチュア２４の厚さ寸法は、電磁石装置４による所望の吸引力を確保するように設定する必要がある。これに対して、可動部２３およびプレート２５それぞれの厚さ寸法は、ＭＥＭＳリレーの小型化を図るなどの観点からは小さい方が好ましい。

第１ばね部２２は、可動部２３の短手方向の両側縁側の各々において可動部２３の長手方向に離間した２箇所に形成されている。各第１ばね部２２は、一端部が可動部２３に連結され他端部がフレーム部２１の内周面に連結されている。各第１ばね部２２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る。これにより、可動部形成基板２は、可動部２３が揺動する際に各第１ばね部２２の各々に発生する応力を各々で分散させることが可能となり、各第１ばね部２２が破損するのを抑制することが可能となる。

また、可動部形成基板２は、可動部２３の短手方向の両側縁それぞれの中央部から矩形状の第１突片２３ａが１つずつ延設されている。また、可動部形成基板２は、フレーム部２１の内周面において可動部２３の各第１突片２３ａの各々に対応する各部位から、矩形状の第２突片２１ａが１つずつ延設されている。すなわち、可動部形成基板２は、１対１で対応する第１突片２３ａと第２突片２１ａとの、互いの先端面同士が対向している。ここにおいて、可動部２３から延設された各第１突片２３ａの各々の先端面には、凸部２３ｂが形成されている。一方、フレーム部２１から延設された各第２突片２１ａの各々の先端面には、凸部２３ｂが入り込む凹部２１ｂが形成されている。したがって、可動部形成基板２は、凸部２３ｂが凹部２１ｂの内周面に当接することにより、フレーム部２１の厚み方向に直交する面内における可動部２３の移動が規制される。可動部２３の同一の側縁側にある２つの第１ばね部２２は、同一の側縁から延設されている第１突片２３ａの両側に位置している。

可動部形成基板２は、可動部２３の各第１突片２３ａにおけるベース基板１との対向面に、支点突起２３ｃが突設されている。この支点突起２３ｃは、可動部２３が当該可動部２３に一体化されているアーマチュア２４とともに揺動（回動）する際の支点として機能する。要するに、可動部形成基板２は、可動部２３の短手方向において離間して配置された２つの支点突起２３ｃがベース基板１の上記一表面に当接しており、一対の支点突起２３ｃ，２３ｃを結ぶ直線を回動軸として回動可能となっている。

また、可動部形成基板２は、可動部２３の長手方向の両側に接点保持部２８，２８が配置されている。各接点保持部２８は、一対の第２ばね部（接圧ばね部）２６，２６を介して可動部２３に支持されている。各接点保持部２８には、ベース基板１の厚み方向において対向する一対の固定接点１４，１４に接離する可動接点２７が設けられている。可動接点２７は、固定接点１４と同様に、Ａｕなどの導電性が良好な金属材料からなる金属膜により構成されている。なお、可動接点２７は、スパッタ法や、電気めっき法、真空蒸着法などを利用して形成すればよい。可動接点２７は、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜でもよい。また、可動接点２７の材料は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕや、これらの合金などを採用することができる。

各接点保持部２８の厚さ寸法は、フレーム部２１の厚さ寸法よりも小さく且つ可動部２３の厚さ寸法よりも小さな値に設定してある。また、接点保持部２８の厚み方向において重なる接点保持部２８と可動接点２７とを合わせた厚さ寸法も、このような条件を満たす値に設定してある。各接点保持部２８は、平面視形状が細長の矩形状であり、短手方向が可動部２３の長手方向に一致するように配置されている。

各第２ばね部２６は、一端部が可動部２３の長手方向に沿った側縁に連結され、他端部が接点保持部２８の短手方向に沿った側縁に連結されており、上記一端部と上記他端部との間の中間部の一部を、可動部２３の厚み方向に直交する面内で蛇行した形状としてある。また、各第２ばね部２６の長さは、同じとしてある。しかして、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、各第２ばね部２６の長さを適当な長さとして各第２ばね部２６のばね力を適宜設定することにより、各可動接点２７と対応する一対の固定接点１４，１４との接点圧を所望の大きさに設定することが可能となり、各可動接点２７と対応する一対の固定接点１４，１４との接触信頼性を向上させることが可能となる。

可動部形成基板２は、フレーム部２１が、ベース基板１およびカバー基板３と接合されている。これにより、可動部形成基板２は、各可動接点２７が、対応する一対の固定接点１４，１４に対向し当該一対の固定接点１４，１４間を短絡する位置と開放する位置との間で変位可能となっている。ここで、説明を簡単にするために、図２において右側に位置している一対の固定接点１４，１４を一対の第１固定接点１４ａ，１４ａ、第１固定接点１４ａ，１４ａに対応する可動接点２７を第１可動接点２７ａ、図２において左側に位置している一対の固定接点１４，１４を一対の第２固定接点１４ｂ，１４ｂ、第２固定接点１４ｂ，１４ｂに対応する可動接点２７を第２可動接点２７ｂと称することもある。

可動部形成基板２は、アーマチュア２４の動作（揺動）に伴って、第１可動接点２７ａが一対の第１固定接点１４ａ，１４ａ間を短絡し且つ第２可動接点２７ｂが一対の第２固定接点１４ｂ，１４ｂ間を開放した第１状態と、第１可動接点２７ａが一対の第１固定接点１４ａ，１４ａ間を開放し且つ第２可動接点２７ｂが一対の第２固定接点１４ｂ，１４ｂ間を短絡した第２状態とが交互に現われる。

ここで、可動部形成基板２の基礎となる半導体基板２０として、上述のダブルＳＯＩ基板を用いれば、可動部２３とベース基板１との距離をベース基板１側のシリコン層の厚みによって規定することが可能となる。これにより、ＭＥＭＳリレーは、可動接点２７と対応する一対の固定接点１４，１４とが開放されている状態での可動接点２７と一対の固定接点１４，１４との間の距離（絶縁距離）を高精度に設定することが可能となり、また、アーマチュア２４と電磁石装置４との距離（磁気ギャップ長）を高精度に設定することが可能となる。

また、カバー基板３は、ガラス基板からなる第２の基板３０を用いて形成されているが、第２の基板３０は、第１の基板１０と同様に、ガラス基板に限らず、高抵抗率のシリコン基板や、ＬＴＣＣ基板を用いてもよい。

カバー基板３は、可動部形成基板２との対向面に可動部２３の揺動空間を確保する凹所３１が形成されている。

ところで、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、例えば、第１の基板１０および第２の基板３０として、それぞれガラス基板を用い、半導体基板２０としてシリコン基板を用いる場合、可動部形成基板２のフレーム部２１とベース基板１およびカバー基板３とは、それぞれ、陽極接合法などにより接合すればよい。

ここで、本実施形態のＭＥＭＳリレーの動作について説明する。

本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、コイル４２，４２への通電が行われると、磁化の向きに応じてアーマチュア２４の長手方向の一端部がヨーク４０の一方の側片４０ｂに吸引される。これにより、ＭＥＭＳリレーは、アーマチュア２４の上記一端部に近い可動接点２７が対応する一対の固定接点１４，１４に接触し、且つ、アーマチュア２４の他端部に近い可動接点２７が対応する一対の固定接点１４，１４から離れた状態となる。この状態では、コイル４２，４２への通電を停止しても、永久磁石４１の発生する磁束により、アーマチュア２４の上記一端部に対する吸引力が維持され、アーマチュア２４の上記一端部に近い可動接点２７と対応する一対の固定接点１４，１４とが接触した状態が保持される。

また、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、コイル４２，４２への通電方向を逆向きにすると、アーマチュア２４の長手方向の上記他端部がヨーク４０の他方の側片４０ｂに吸引され、アーマチュア２４の上記他端部に近い可動接点２７が対応する一対の固定接点１４，１４に接触し、且つ、アーマチュア２４の上記一端部に近い可動接点２７が対応する一対の固定接点１４，１４から離れた状態となる。この状態では、コイル４２，４２への通電を停止しても、永久磁石４１の発生する磁束により、アーマチュア２４の上記他端部に対する吸引力が維持され、アーマチュア２４の上記他端部に近い可動接点２７と対応する一対の固定接点１４，１４とが接触した状態が保持される。

なお、本実施形態のＭＥＭＳリレーは、アーマチュア２４を動かす電磁石装置４として、永久磁石４１を備えた有極型の電磁石装置を用いているので、ラッチング型のリレー（マイクロリレー）を構成している。ただし、ＭＥＭＳリレーは、電磁石装置４として永久磁石４１を備えていない無極型の電磁石装置を用いてもよい。電磁石装置４が有極型の電磁石装置の場合は、アーマチュア２４とヨーク４０とを通る磁気回路が構成されるが、アーマチュア２４とヨーク４０および永久磁石４１とを通る磁気回路が構成される。また、電磁石装置４が無極型の電磁石装置の場合は、アーマチュア２４とヨーク４０とを通る磁気回路が構成される。

ところで、可動部形成基板２におけるアーマチュア２４およびプレート２５以外の構成要素は、半導体基板２０（半導体基板２０の基礎となるウェハ）に対して、半導体微細加工技術を適用することにより形成してある。

これに対して、アーマチュア２４およびプレート２５については、各々、打ち抜き加工などの機械加工技術を利用して形成してある。

また、可動部形成基板２は、アーマチュア２４においてヨーク４０の各側片４０ｂの各々の先端面に対向する部位から一体に突設されたストッパ部２４ｂを備えている。ストッパ部２４ｂは、アーマチュア２４の長手方向の両端部においてアーマチュア２４の短手方向に沿って形成されており、ヨーク４０との対向面が細長の長方形状となっている。なお、ストッパ部２４ｂは、例えば、磁性体板の一部をエッチング技術などにより加工することによって形成すればよい。このストッパ部２４ｂは、アーマチュア２４の揺動範囲を規制する機能を有する。すなわち、これらのストッパ部２４ｂは、ベース基板１の上記一表面と接触することにより、アーマチュア２４の変位量を制限する。

以上説明した本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、アーマチュア２４においてヨーク４０の各側片４０ｂの各々の先端面に対向する部位から一体に突設されたストッパ部２４ｂを備えていることにより、磁気効率を向上させることが可能となり、所望の接触圧を確保するために必要な駆動電圧を低減することが可能となって、低消費電力化を図ることが可能となる。

（実施形態２）
以下、本実施形態のＭＥＭＳリレーについて図６に基づいて説明する。

本実施形態のＭＥＭＳリレーの基本構成は実施形態１と略同じであり、可動部２３に支点突起２３ｃ（図１、図３参照）を設ける代わりに、アーマチュア２４において永久磁石２４に対向する部位から一体に突設された支点突起２４ｃを備えている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

支点突起２４ｃは、アーマチュア２４の揺動動作を安定させるうえでは先端面の面積が小さいほうが好ましいが、磁気効率を向上させるうえでは先端面の面積が大きいほうが好ましい。なお、支点突起２４ｃの数は特に限定するものではなく、１つでも複数（例えば、２つ）でもよい。

しかして、本実施形態のＭＥＭＳリレーでは、電磁石装置４として有極型の電磁石装置を用いた構成において、アーマチュア２４からストッパ部２４ｂおよび支点突起２４ｃが突設されていることにより、磁気効率を向上させることが可能となり、所望の接触圧を確保するために必要な駆動電圧を低減することが可能となって、低消費電力化を図ることが可能となる。

ところで、実施形態１，２では、２つの可動接点２７と、各可動接点２７の各々に対して対応する一対の固定接点１４，１４が設けられているが、対応する可動接点２７と固定接点１４との数は１対２に限らず、例えば、１対１でもよい。また、可動接点２７と対応する固定接点１４との組も２組に限らず、１組でもよい。

また、実施形態１，２では、ベース基板１およびカバー基板３の外形サイズを可動部形成基板２の外形サイズと同じ外形サイズに設定してあるが、これに限らない。例えば、ベース基板１およびカバー基板３の外形サイズを可動部形成基板２の外形サイズよりも大きく設定し、且つ、カバー基板３に可動部形成基板２を囲む枠状の外側フレーム部を一体に設けてカバー基板３をキャップ状の形状とし、カバー基板３の外側フレーム部をベース基板１に接合するようにしてもよい。

１ベース基板
２可動部形成基板
３カバー基板
４電磁石装置
１０基板
１４固定接点
１６収納部
１７開口部
１８蓋体部
２１フレーム部
２２第１ばね部
２３可動部
２４アーマチュア
２４ｂストッパ部
２４ｃ支点突起
２７可動接点
２８接点保持部
４０ヨーク
４０ａコイル巻回部
４０ｂ側片
４２コイル

Claims

厚み方向の一表面側に固定接点が設けられたベース基板と、前記ベース基板の前記一表面側に対向配置されたカバー基板と、前記ベース基板に収納された電磁石装置と、前記ベース基板と前記カバー基板との間に配置された可動部形成基板とを備え、前記ベース基板は、一表面側に前記固定接点が形成される基板と、前記基板の厚み方向に貫通した開口部の内周面と前記基板の前記一表面側で前記開口部を閉塞する蓋体部とで囲まれ前記電磁石装置が収納される収納部とを有し、前記電磁石装置は、Ｕ字状のヨークと、前記ヨークの両側片の間のコイル巻回部に巻回されたコイルとを有し、前記両側片の各先端面が前記蓋体部に接するように前記収納部に収納されてなり、前記可動部形成基板は、前記ベース基板と前記カバー基板との間に介在するフレーム部と、前記フレーム部の内側に配置され前記フレーム部に第１ばね部を介して揺動自在に支持された可動部と、前記可動部における前記電磁石装置側である一面側に配置され前記ヨークとともに磁気回路を構成する磁性体板からなるアーマチュアと、前記可動部に支持され前記アーマチュアの揺動に伴って前記固定接点に接離する可動接点が設けられた接点保持部と、前記アーマチュアにおいて前記ヨークの前記各側片の各々の前記先端面に対向する部位から一体に突設されたストッパ部とを有することを特徴とするＭＥＭＳリレー。
前記電磁石装置は、前記コイル巻回部の長手方向の中央部に重ねて配置され前記中央部と前記蓋体部との間に介在する永久磁石を備え、前記アーマチュアにおいて前記永久磁石に対向する部位から一体に突設された支点突起を備えることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳリレー。