JP4100404B2 - 接点支持機構、接点開閉器、計測装置及び無線機 - Google Patents

Description

本発明は、接点支持機構、それを用いた接点開閉器に関し、例えば、ＩＣテスタ、半導体製造装置等の計測装置、無線機等に用いられるものである。

従来、接点支持機構が適用された一例としての静電マイクロリレーとして、図１４に示す構成（特開２０００−１１３７９２に掲載）のものがある。

この静電マイクロリレー１０１では、固定基板１０２の上面に設けた接続パッド１０２ａの上側に可動基板１０３が弾性支持され、固定基板１０２の上面に形成した固定電極１０２ｂと、可動基板１０３の下面に形成した可動電極１０３ａとが対向している。なお、可動基板１０３と可動電極１０３ａは同一部材からなっていてもよい。

そして、高周波特性を向上させるため、可動基板１０３は中央部に支持部１０４で支持された可動接点部１０５を持っており、固定基板１０２上面にある配線１０２ｃ上の対向する部分にある可動基板１０３は、支持部１０４及び可動接点部１０５以外のところで切り取られている。

そして、前記両電極１０２ｂ，１０３ａ間に電圧を印加して静電引力を発生させ、可動電極１０３ａを固定電極１０２ｂに吸引することにより、可動基板１０３を撓ませて可動接点１０５ａを固定接点１０２ｄに閉成するようになっている。可動接点１０５ａは支持部１０４に揺動支持された可動接点部１０５の下面に、固定接点１０２ｄは配線１０２ｃの対向する端部に予め形成されている。

図１４に示す構成の接点構造の場合、可動接点部１０５を支える両側の支持部１０４は可動接点部１０５の中央部の接点重心を通過する同一直線上に配置されていた。この場合、いわゆるダブルブレイク接点両側である一対の固定接点１０２ｄに対して力は均等に配分されるものの、支持部１０４が一対の固定接点１０２ｄのどちらからも遠いため接点の接触力・開離力にロスが生じていた。
特開２０００−１１３７９２号公報

上記の静電マイクロリレーでは、接点閉成時においては接触力の不足から接触抵抗の増加、接点開成時においては粘着や溶着等が発生するなど、接触信頼性及び耐溶着性に課題がある。

接触信頼性及び耐溶着性を向上させるためには、確実に接点を閉成・開成できるように、吸着力及び弾性復帰力を大きくしなければならない。

このためには、両電極間に発生させる静電引力を増大させる必要が生じ、駆動電圧（電極間に印加する電圧）や対向する電極面積の拡大、電極の間隙寸法の狭ギャップ化、あるいは、エレクトレットを用いる等により対処しなければならない。この結果、占有体積の増大、接点耐圧の低下、構造及び加工工程の複雑化及びコストアップを招来していた。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡単な構造で、大型化を招くことなく、安価で簡単に製作できる接点の接触信頼性
・耐溶着性に優れた接点支持機構、接点開閉器、計測装置及び無線機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の接点支持機構にあっては、固定基板に対向配設した可動基板の、長方形板状であり、２つの固定接点に対向する位置をまたぐ可動接点部を、前記固定基板の固定接点に接離可能に支持する接点支持機構であって、
前記可動接点部の左右両側に設けられた夫々の第１弾性支持部とこの第１弾性支持部によって弾性支持された左右同じ大きさの長方形状の可動電極とをもつ可動基板を設け、前記可動電極は前記可動接点部を両側から第２弾性支持部で弾性支持し、前記可動接点部を開離するときに前記可動接点部の可動接点部重心からずれた位置が第２弾性支持部により支持されていて、前記第２弾性支持部は、前記可動接点部を中央にした左右非対称形状であり、かつ、前記可動接点部の各固定接点に当接する接触部である端部に接続されていることを特徴とする。

これによると、可動接点部の固定接点に対する接触部近傍を第２弾性支持部が支持することで、接点閉成時には第２弾性支持部から接触力を十分に伝達すると共に、接点開成時には第２弾性支持部から引きはがし力を伝達することが可能になり接触信頼性・耐溶着性が向上する。

本発明の接点開閉器にあっては、上記の接点支持機構を備え、前記可動接点部を前記固定接点に接離することにより、前記可動接点部及び前記固定接点間を電気的に開閉することを特徴とする。

これによると、電気的な開閉が良好に行える。ここで、接点開閉器としては、有接点のマイクロリレーやスイッチを示す。例えば、マイクロリレーとしては、その駆動方式により静電マイクロリレー、圧電マイクロリレー、熱駆動マイクロリレー、形状記憶合金マイクロリレー、磁気マイクロリレー等が挙げられる。

本発明の計測装置にあっては、上記の接点支持機構を備えることを特徴とする。

これによると、上記の接点支持機構を有するマイクロリレー等は、例えば、ＩＣテスタ、半導体製造装置等の計測装置に用いられ、測定対象物と計測装置間の信号を開閉することができる。

本発明の無線機にあっては、上記の接点支持機構を備えることを特徴とする。

これによると、上記の接点支持機構を有するマイクロリレー等は、無線機等に用いられ、無線電波信号を開閉することができる。

本発明によれば、簡単な構造で、大型化を招くことなく、安価で簡単に製作できる接点の接触信頼性・耐溶着性に優れた接点支持機構、接点開閉器、計測装置及び無線機を提供することができる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

なお、実施形態では、静電マイクロリレー又はスイッチに本発明の接点支持機構を適用した例を説明するが、その他、例えば、圧電マイクロリレー、熱駆動マイクロリレー、形状記憶合金マイクロリレー、磁気マイクロリレー等の有接点の接点開閉器に適用しても同様の効果を発揮する。

（第１実施形態）図１、図２は本実施形態に係る静電マイクロリレー１を示す。この静電マイクロリレー１は、固定基板２の上面に可動基板３を一体化した構成である。図１では固定基板２と可動基板３とを分離して示しており、図２では固定基板２と可動基板３とが一体化した状態を示している。

固定基板２は、ガラス基板の上面に、固定電極２ａと、２本の信号線２ｂと、が設けられている。固定電極２ａは、信号線２ｂよりも低い位置に形成されている。

固定電極２ａの表面は絶縁膜で被覆され、配線を介して接続パッドにそれぞれ接続されている。

２本の信号線２ｂは、同一直線上に配置されている。各信号線２ｂの所定間隔を有して対向する端部は固定接点２ｃとなっている。一方、固定接点２ｃへ引き出される信号線２ｂの引き出し部は接続パッドに接続されている。この固定接点２ｃは、引き出し部よりも幅狭形状となっており、第２弾性支持部４と信号線２ｂのオーバーラップ面積を削減するようにし、良好な高周波特性を確保することができるようになっている。

固定電極２ａは、信号線２ｂの両側に同一距離を有して形成されると共に、高周波ＧＮＤ電極と兼用されることにより、コプレナ構造を構成している。また、信号線２ｂの両側に位置する固定電極２ａ同士は、固定接点２ｃの間で互いに接続されている。これにより、開閉信号の発生する電気力線は、固定接点２ｃ間の高周波ＧＮＤ電極で終端されるので、アイソレーション特性が向上する。

ここで、アイソレーション特性は、接点開放時、信号線２ｂ間における信号の漏れがどの程度存在するかを示すものであり、特性が向上することにより信号の漏れが低減される。

一方、可動基板３は、略矩形板状のシリコン基板を、アンカにより第１弾性支持部３ａを介して可動電極３ｂを弾性支持し、その中央部に支持部としての第２弾性支持部４を介して可動接点部５を弾性支持する構成としたものである。

アンカ３ｃは、可動基板３の下面に２箇所立設され、１つのアンカ３ｃは固定基板２の上面に設けた配線を介して接続パッドに電気接続されている。

第１弾性支持部３ａは、可動基板３の両側縁部に沿って設けたスリットにより形成され、端部下面に各アンカ３ｃが一体化されている。

可動電極３ｂは、固定電極２ａに対向しており、両電極２ａ，３ｂ間に電圧を印加することにより発生する静電引力によって固定電極２ａに吸引される。また、可動電極３ｂは、信号線２ｂに対向する部分が除去されている。したがって、可動電極３ｂを介した信号線２ｂ間の容量結合が存在しないため、アイソレーション特性が向上する。

次に、本発明の特徴部分である第２弾性支持部４及び可動接点部５の構成について説明する。第２弾性支持部４及び可動接点部５の構成の概略を図４に示した。第２弾性支持部４及び可動接点部５は、可動電極３ｂの間に可動基板３を切欠いて形成される。

可動接点部５は、長方形板状であり、２つの固定接点２ｃに対向する位置をまたぐ形状である。可動接点部５の下面には、絶縁膜を介して不図示の可動接点が設けられている。可動接点は、２つの固定接点２ｃと閉成することにより、信号線２ｂを電気的に接続するようになっている。

第２弾性支持部４は、可動電極３ｂと可動接点部５とを連結する幅狭の梁である。この第２弾性支持部４は、２つの可動電極３ｂから可動接点部５の中心からはずれた図４の図示上下端部に接続され、それぞれの位置の相対関係は可動接点部５の中心から点対称な配置である。つまり、２つの第２弾性支持部４は、中心線が一致しない配置構成をとっている。

したがって、可動接点部５を揺動支持する第２弾性支持部４の延びる方向の延長線上に、可動接点部５の接点重心が非存在である。このため、第２弾性支持部４によって可動接点を開離するときの力の作用点が、接点重心からずれ、可動接点が固定接点２ｃに接触する接触部（図４の可動接点部５の上下端部）の隣接位置となる。

続いて、上記の構成からなる静電マイクロリレー１の製造方法を説明する。静電マイクロリレー１は、後述するような半導体製造工程を用いて製造することで、容易に製造が可能となる。

まず、パイレックス（登録商標）等のガラス基板に固定電極２ａ、信号線２ｂ及び固定接点２ｃ等を形成する。そして、固定電極２ａの表面を絶縁膜で被覆することにより、固定基板２を完成する。

一方、Ｓｉ層、ＳｉＯ₂層及びＳｉ層からなるＳＯＩウエハの下面に接点間ギャップを
形成するため、例えばシリコン酸化膜をマスクとするＴＭＡＨによるウエットエッチングを行い、下方側に突出するアンカ３ｃを形成する。そして、ウエットエッチングにより除去された部分の中央部に絶縁層を介して可動接点を形成する。

そして、固定基板２のガラス基板に先のＳＯＩウエハのアンカ３ｃを陽極接合で接合一体化する。その後、ＳＯＩウエハの上面をＴＭＡＨ、ＫＯＨ等のアルカリエッチング液で酸化膜までエッチングして薄くする。さらに、フッ素エッチング液で酸化膜を除去して可動電極３ｂとなるＳｉ層を露出させる。そして、ＲＩＥ等を用いたドライエッチングで型抜きエッチングを行い、スリット及び切欠きを形成して第１弾性支持部３ａ、第２弾性支持部４及び可動接点部５を形成し、可動基板３の完成と同時に静電マイクロリレー１を完成する。

次に、上記の構成からなる静電マイクロリレーの動作を図３を参照して説明する。

固定電極２ａと可動電極３ｂとの間に電圧を印加していない初期状態では、図３（ａ）に示すように、固定基板２と可動基板３とは平行を保持し、可動接点が固定接点２ｃから開離している。

そして、可動電極３ｂと固定電極２ａとの間に電圧を印加すると、両電極２ａ，３ｂ間には静電引力が発生する。この結果、図３（ｂ）に示すように、可動基板３が第１弾性支持部３ａの弾性力に抗して固定基板２に接近し、可動接点が固定接点に当接する。

可動基板３は、その後、図３（ｃ）に示すように、可動接点が固定接点に当接した後も可動電極３ｂが固定電極２ａに当接するまで移動を続ける。

この時、２つの第２弾性支持部４が可動接点部５の各固定接点２ｃに当接する接触部である端部に接続されていることから、第２弾性支持部４によって接触圧を高めることができる。したがって、接点閉成時、所望の接触信頼性が得られる。

また、印加電圧を除去すると、第１弾性支持部３ａ及び第２弾性支持部４の両方の弾性力により、可動基板３は固定基板２から離間する。この時、図３（ｄ）に示すように、可動接点の固定接点２ｃに対する粘着や溶着等が発生する。

この場合、図３（ｅ）に示すように、第２弾性支持部４が可動接点部５の各固定接点２ｃに当接する接触部である端部に接続されて、各第２弾性支持部４が接続された端部をそれぞれ逆側に持ち上げようとして、接点に意図的にねじり力を発生させ、真上の方向の引きはがし力だけでなく、真横方向からの引きはがし力を付加することにより、可動接点の各固定接点２ｃに対する粘着や溶着等を容易に引きはがす。したがって、接点開成時、耐溶着性を向上することができる。

その後、第１弾性支持部３ａのみの弾性力によって可動基板３は上動を続けて、可動接点が固定接点から開離した初期状態（図３（ａ））に復帰する。

（その他の実施形態）以下に、本発明の特徴部分である第２弾性支持部４及び可動接点部５の他の構成について説明する。なお、図５〜図１１の構成については第１実施形態と同様に可動接点部５の両側に可動電極３ｂが備えられるものであり、図４と同様に第２弾性支持部４及び可動接点部５の概略を示す。

図５の構成は、第１実施形態と同様に、２つの可動電極３ｂから各１つの第２弾性支持部４を延ばし、可動接点部５を支持する構成である。第２弾性支持部４は、可動接点部５のそれぞれ異なる端部に接続されており、可動接点部５の中心から点対称となる配置をとっている。すなわち、第１実施形態とは第２弾性支持部４の配置位置が逆となった構成である。

図６の構成は、第１実施形態及び図５と同様に、２つの可動電極３ｂから各１つの第２弾性支持部４を延ばし、可動接点部５を支持する構成である。しかし、第２弾性支持部４は、可動電極３ｂと可動接点部５との間に直交するように延びるのではなく、可動接点部５の第２弾性支持部４が接続される端部間の略中心線上の可動電極３ｂ位置から延び、可動接点部５の端部に接続されており、可動接点部５の中心から点対称となる配置をとっている。なお、第２弾性支持部４の配置を図４と図５の関係のように逆にすることもできる。

図７の構成は、２つの可動電極３ｂから各２つの第２弾性支持部４を延ばし、可動接点部５を支持する構成である。つまり、第２弾性支持部４を全部で４つ有する構成である。１つの可動電極３ｂから延びる第２弾性支持部４は、可動接点部５の各端部に接続されており、一方が幅広で他方が幅狭で断面積を異ならせている。そして、４つの第２弾性支持部４は、可動接点部５の中心から点対称となる配置をとっている。また、２つの可動電極３ｂから延びる第２弾性支持部４の中心線が接続される可動接点部５の各端部ごとに一致しており、この中心線が一致する２つの第２弾性支持部４の断面積が異なる。なお、第２弾性支持部４の配置を図４と図５の関係のように逆にすることもできる。

図８の構成は、図７と同様であるが、２つの可動電極３ｂから延びる第２弾性支持部４の中心線が接続される可動接点部５の各端部ごとに一致させないようにしたものである。このように、図７の構成を変形することもできる。なお、第２弾性支持部４の配置を図４
と図５の関係のように逆にすることもできる。

図９の構成は、図７、図８と同様に、２つの可動電極３ｂから各２つの第２弾性支持部４を延ばし、可動接点部５を支持する構成である。つまり、第２弾性支持部４を全部で４つ有する構成である。一方の可動電極３ｂから延びる２つの第２弾性支持部４は、他方の可動電極３ｂから延びる２つの第２弾性支持部４よりも幅広で断面積が異なっている。そして、図７と同様に、２つの可動電極３ｂから延びる第２弾性支持部４の中心線が接続される可動接点部５の各端部ごとに一致しており、この中心線が一致する２つの第２弾性支持部４の断面積が異なる。なお、第２弾性支持部４の配置を図４と図５の関係のように逆にすることもできる。

なお、４つの第２弾性支持部４の幅が等しく断面積が同じような構成をとることもできる。この場合には、可動電極３ｂと固定電極２ａの間に発生する力をより直接的に可動接点部５に伝えることができるので、接触力、開離力ともに向上する。

図１０の構成は、図９と同様であるが、２つの可動電極３ｂから延びる第２弾性支持部４の中心線が接続される可動接点部５の各端部ごとに一致させないようにしたものである。このように、図９の構成を変形することもできる。なお、第２弾性支持部４の配置を図４と図５の関係のように逆にすることもできる。

図１１の構成は、一方の可動電極３ｂからは１つの第２弾性支持部４を延ばし、他方の可動電極３ｂからは２つの第２弾性支持部４を延ばし、可動接点部５を支持する構成である。一方の可動電極３ｂからは１つの第２弾性支持部４を可動接点部５の両端部の中間へ接続し、他方の可動電極３ｂからは２つの第２弾性支持部４を可動接点部５の両端部へ接続している。このようにしても、意図的にねじり力を発生させることができる。なお、第２弾性支持部４の配置を図４と図５の関係のように逆にすることもできる。

なお、３つの第２弾性支持部４の断面積は、必ずしも同じ断面積である必要はない。

以上説明した他の実施形態の構成であっても、第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

（種々の装置への適用）次に、上記実施形態を用いたマイクロリレーやスイッチを種々の装置に適用した場合について説明する。

（計測装置への適用）上記実施形態のマイクロリレーやスイッチを計測装置に適用した場合について説明する。

このような計測装置として、例えばＩＣテスタや半導体製造装置がある。ＩＣテスタとしては、これはＩＣの特性を計測する装置である。

ＩＣテスタは、オシロスコープやマルチメータをさらにアレイ化した大型の設備であり、床面積も畳２、３畳ほどになる。

ＩＣテスタに使用されるリレーの数も５０００〜１００００個と大量になる。

また半導体製造装置は、その装置内において計測部への使用が想定されることから、計測装置に分類される。

ここで、本発明に係る静電マイクロリレーの一実施形態を用いた計測装置の内部構成に
ついて図１２を参照して説明する。図１２は、本発明に係る静電マイクロリレーの一実施形態を用いた計測装置の内部構成のブロック図である。

図１２に示される計測装置１４０１は、静電マイクロリレー１４０３が、内部回路１４０２から測定対象物（図示せず）にいたる各信号線との途中に接続されており、各静電マイクロリレー１４０３をオンオフすることにより測定対象を切り替えることができる。

前述のように、上記実施形態のマイクロリレーやスイッチにおいては、接点の接触信頼性・耐溶着性に優れ、その特性を向上させることができる。

したがって、上記実施形態のマイクロリレーやスイッチを計測装置に使用した場合は、これら上記実施形態を用いたマイクロリレーやスイッチの特性の向上に応じて計測装置自体の特性も向上させることができる。

（無線機への適用）上記実施形態のマイクロリレーやスイッチを無線機に適用した場合について説明する。

このような無線機として、例えば携帯電話やＰＤＡを挙げることができる。

前述のように、上記実施形態のマイクロリレーやスイッチにおいては、接点の接触信頼性・耐溶着性に優れ、その特性を向上させることができる。

したがって、上記実施形態のマイクロリレーやスイッチを無線機に使用した場合は、これら上記実施形態のマイクロリレーやスイッチの特性の向上に応じて無線機自体の特性も向上させることができる。

ここで、本発明に係る静電マイクロリレーの一実施形態を用いた無線機の内部構成について図１３を参照して説明する。図１３は、前述の本発明に係る静電マイクロリレーの一実施形態を用いた無線機の内部構成のブロック図である。

この無線機では、静電マイクロリレー１５０３が、内部回路１５０１とアンテナ１５０４との間に接続されており、静電マイクロリレー１５０４をオンオフすることによって、内部回路１５０１がアンテナ１５０４を通じて送受信可能な状態と、送受信できない状態との切り替えられる。

図１は第１実施形態に係る静電マイクロリレーの構成を示す図である。 図２は第１実施形態に係る静電マイクロリレーの構成を示す図である。 図３は第１実施形態に係る静電マイクロリレーの動作を示す説明図である。 図４は第１実施形態に係る静電マイクロリレーの要部を示す図である。 図５は他の実施形態に係る静電マイクロリレーの要部を示す図である。 図６は他の実施形態に係る静電マイクロリレーの要部を示す図である。 図７は他の実施形態に係る静電マイクロリレーの要部を示す図である。 図８は他の実施形態に係る静電マイクロリレーの要部を示す図である。 図９は他の実施形態に係る静電マイクロリレーの要部を示す図である。 図１０は他の実施形態に係る静電マイクロリレーの要部を示す図である。 図１１は他の実施形態に係る静電マイクロリレーの要部を示す図である。 図１２は静電マイクロリレーの一実施形態を用いた計測装置の内部構成のブロック図である。 図１３は静電マイクロリレーの一実施形態を用いた無線機の内部構成のブロック図である。 図１４は従来技術に係る静電マイクロリレーを示す図である。

符号の説明

１ 静電マイクロリレー
２ 固定基板
２ａ 固定電極
２ｂ 信号線
２ｃ 固定接点
３ 可動基板
３ａ 第１弾性支持部
３ｂ 可動電極
３ｃ アンカ
４ 第２弾性支持部
５ 可動接点部

Claims (4)

1. 固定基板に対向配設した可動基板の、長方形板状であり、２つの固定接点に対向する位置をまたぐ可動接点部を、前記固定基板の固定接点に接離可能に支持する接点支持機構であって、
   前記可動接点部の左右両側に設けられた夫々の第１弾性支持部とこの第１弾性支持部によって弾性支持された左右同じ大きさの長方形状の可動電極とをもつ可動基板を設け、
   前記可動電極は前記可動接点部を両側から第２弾性支持部で弾性支持し、
   前記可動接点部を開離するときに前記可動接点部の可動接点部重心からずれた位置が第２弾性支持部により支持されていて、
   前記第２弾性支持部は、前記可動接点部を中央にした左右非対称形状であり、かつ、前記可動接点部の各固定接点に当接する接触部である端部に接続されていることを特徴とする接点支持機構。
2. 請求項１に記載の接点支持機構を備え、前記可動接点部を前記固定接点に接離することにより、前記可動接点部及び前記固定接点間を電気的に開閉することを特徴とする接点開閉器。
3. 請求項１に記載の接点支持機構を備えることを特徴とする計測装置。
4. 請求項１に記載の接点支持機構を備えることを特徴とする無線機。

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