JP4205202B2 - 磁気マイクロスイッチおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界の影響による二つの帯片の結合による電気回路の閉成と、磁界が除去されたときの上記回路の開成との両操作を信頼性を以て確実に行う特定構造を有する帯片式マイクロスイッチに関する。
本発明はまた、斯かるマイクロスイッチを、基材から直流成長(galvanic growth) により製造する方法にも関している。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
更に概略的に述べると、本発明は所謂る“ステム" スイッチの公知分野に関しており、広範囲な意味においては、ステムもしくは帯片に対して平行的なもしくは直交的なものとされ得る外部磁界により起動され得る“帯片" に関している。平行磁界によるステムスイッチは、一般的にリードスイッチと称される。斯かるリードスイッチの基本的設計態様は、その各端部が磁化可能な可撓ステムにより貫通された円筒状ガラスバルブを備えて成り、また、各ステムの自由端は、電気回路を閉成せんとする外部磁界の影響の下では、相互に向けたそれらの初期運動により相互に吸引される一方、磁界が除去されたときにはステムもしくは帯片の弾性力によりそれらの初期位置に復帰し得るものとされている。この基本的設計態様を小型化する上では必然的に、純粋な技術的要因による制限があることから、一般的に入手し得る最小のリードスイッチは依然として、7.5 mm程度の長さと1.5 mm程度の径を有すると共に、機械的に安定しないこともある。
【０００３】
この基本的設計態様は多くの改良を生じせしめたが、発明の範囲に関し、一方では、時計などの小型電子アセンブリへの例えば一体化を許容する為のスペース要件を減少させるもの、および、他方では、それらの磁気機械的性能の信頼性および効率を一層高めるもの、が挙げられる。
スペース要件を減少する為の解決策に関して米国特許第5,430,421 号に言及すると、該米国特許は、極小寸の帯片マイクロスイッチのバッチ製造を許容すべく、基材からの直流成長による製造方法を開示しており、この帯片マイクロスイッチは典型的には、長さL が約500 μm 、厚みa が100 μm 、かつ、幅b および空隙e が数十ミクロンである帯片を備えたデバイスである。しかし乍ら、同じバッチ、すなわち、厳密に同一の条件で製造されたマイクロスイッチの幾つかのものが、信頼作動の保証を許容する基準を満足しないことが観察された。直流成長による垂下式金属構造を形成すれば、幾何的配置(geometry)、特に、強磁性材料の析出厚みを十分な精度で制御し得るが、残留応力を制御できず、これは公知の如く直流成長の開始時点で一層重要なものであり、一定の手法で予測すべきものである。また、帯片の厚みは極小であることから、犠牲層の除去後においては必然的に幾つかのマイクロスイッチが依然として閉成位置にあったり、逆に、大き過ぎる空隙を有しており、後者に関しては、磁界を通常的に付与して閉成位置に付勢せねばならない。
【０００４】
一方、上述したマイクロスイッチの磁気／機械的な欠点を克服する為に、所定の弾性率を有する材料で形成されると共に所定の磁界内に載置される帯片に関して研究が行われたが、それは、撓みと、２個の帯片間の接触圧力とを助長する一方で残留応力を減少もしくは除去すべく変化させ得るのはどの構造パラメータであるか、に関するものであった。
【０００５】
帯片の厚みb を大きくすれば、残留応力の影響は減少されると共に、２個の帯片の相互位置関係は改善されるが、それらの剛性も増大してしまう。従って、閉成の為に必要な可撓性を備えせしめる為には帯片の長さL を増大せねばならないが、小型化を行うという発明の目的を満足するものではない。
ここで、磁界内に載置されると共に極めて小寸の空隙e を有するデバイスでは、帯片の長さをL 、その厚みをb 、空隙e 内への２個の帯片の重なり合い長さ即ち重複長さをr とすれば、撓みは略々L ³ /br に比例する。また、他のパラメータが全て同じであれば、接触圧力は略々b ² /r² に比例する。
【０００６】
L を増大し、かつ／または、b を減少することにより、大きな撓みが得られる。然るに、L を増大するとマイクロスイッチの全体的スペース要件は増大し、これは発明の企図目的に合致するものでなく、空隙内における磁界の分散が大きくなるという逆効果も生じてしまう。また、b を減少すると、一方では接触圧力を相当に低下させ、他方では、上述の如く、帯片が残留応力の影響を一層受けやすくなる、という不都合な影響が生じてしまう。
【０００７】
重複長さr のみを減少すると、撓みおよび接触圧力を同時に増大することができる。しかし乍ら、r の値は実質的に厚みb の数倍に等しい様に維持せねばならず、さもなければ、得られる利点よりも磁界の分散効果の方が大きくなってしまう。
従って、上記の考察からは、直流成長により形成されるマイクロスイッチの磁気機械的欠点に対する満足の行く解決策を提供することは当業者の知識では行えないことが明らかである。
【０００８】
故に本発明の課題は、マイクロスイッチの全体的スペース要件を変更することなく、少なくとも１個の帯片のそのままの幾何的配置により該帯片の可撓性を増大し、これを、上記帯片の端部にて得られる最大力を変更することなく行う、という解決策を提供するにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、夫々の端部により電気接続手段に接続されるとともに、各々、長さr に亙る重複部分が距離e の空隙を画成する断面積が夫々a ・b およびa ・b'である末端部を含み、かつ、長さがL およびL'で幅がa である２個の導電帯片を含み；上記帯片の少なくとも一方は、磁気材料から形成されると共に、脚部を介して基材に取付けられた一端と、中間部と、長さがL ₀ の末端部とを備え；該帯片は第２帯片の末端部に関し、磁界が無いときの開成位置と、２個の帯片が磁界の影響の下で相互に接触する閉成位置との間で撓曲可能である；基材から直流成長により形成された磁気マイクロスイッチでにおいて、可撓帯片の上記中間部の断面積は末端部よりも小さく形成されることにより小さな曲げ抵抗を有し、これにより該帯片は、磁界の影響の下では接触を行うべく少なくともe に等しい大きさだけ撓曲し得ると共に、磁界が無いときには開成位置に向けての十分な戻り力を有し得る、ことを特徴とする磁気マイクロスイッチ、を提供する。
【００１０】
磁界が帯片に対して平行に付与される場合、２個の帯片は同一の磁性材料から直流成長により形成される。
中間部を飽和させるべく磁界を付与することにより、末端部の夫々の厚みb 、b'の増大で帯片間の接触圧力を増大して低い抵抗による接触を再現する一方、帯片に十分な撓みを持たせ得ることが可能となる。
【００１１】
第１実施態様に依れば、可撓帯片は脚部に対するそれの固着端部からそれの末端部にかけて一定の厚みb を有し、かつ、これらの２個の端部の接合部を形成する中間部には１個以上の峡部が形成されて該中間部の合計横断面積は末端部の断面積よりも小さくなり、従って、必要とされるスペース要件を増大することなく帯片が一層大きな可撓性を有し得る様になる。
【００１２】
これらの峡部は、１個以上の開口を帯片に画成し得る。峡部が唯一個である場合、帯片の各縁部に２個の凹所を形成すべく峡部は中央位置を占有するのが好適である。また、各峡部は、脚部に固着された端部と末端部との間で変化する断面積を有し、例えば、取付点から末端部に向けて面積が減少する実質的に正方形もしくは矩形の連続的な開口を形成しても良い。
【００１３】
第二の実施態様によれば、帯片は開口も凹所も有さないが、その中間部は末端部の厚みb よりも小さな厚みを有し、帯片の厚み方向におけるノッチを適宜な手法で形成しており、このノッチは帯片の両面の一方もしくは他方に配置され得るものである。
既述の如く、中間部はマイクロスイッチの磁気的挙動に関しては僅かな効果しか有しておらず、特に、マイクロスイッチが帯片の丈に平行な磁界内に載置されたときにそうである。換言すると、有効領域は長さL ₀ の末端部である。この場合、第２帯片が基材に取付けられるとき、その長さL'をL ₀ に等しくすると共にその厚みb'を可撓帯片の厚みb に等しいものとして、可能な限り磁界の分散を回避すれば好適である。
【００１４】
帯片に直交する磁界内にマイクロスイッチが載置されると共に第２帯片が基材に取付けられる場合には、第２帯片の長さL'は重複長さr に等しくするだけで十分であり、それを形成する材料は磁性もしくは非磁性とし、且つ、その厚みb'は可撓帯片の厚みb よりも大きくすることができる。
基材に直接的に取付ける代わりに、第２帯片は更なる脚部を介して上記基材に取付けても良い。そのときにこの第２帯片は撓曲可能であると共に、既述の手法のいずれかに従って構成されるが、必ずしも第１帯片と同一の構造とする必要は無い。
【００１５】
本発明に係るマイクロスイッチはまた、全体的スペース要件を変更すること無く、各帯片の厚みb 、b'および空隙の値e の変更を許容するものである。b 、b'を増大すると可撓性が減少するが、相関的に２個の帯片の相対位置関係は改善されることから空隙値e を減少することができる。
本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照して行われる例示的で非限定的な実施例の詳細な説明により明らかとなろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、その製造バッチから取り外されたマイクロスイッチの第１実施例を示している。該スイッチは、基材１０により支持された２個の帯片１、２を含んでいるが、これは、以下に説明する直流成長により形成されることは理解されよう。
この実施例では、帯片に平行な磁界に晒されるべくマイクロスイッチが配置される。２個の帯片を形成する材料は、例えば低い磁気ヒステリシスを有するニッケル／鉄合金などの強磁性材料とし、磁界が除去されたときの再現的な開成を可能とせねばならない。２個の帯片の各々は、不図示の電気回路に対しては、導体２１および２２により概略的に示される接続手段を含んでいるが、当業者であれば、特に、上記マイクロスイッチが更に複雑な電子回路に一体化されるときには他の接続手段を完璧に設計し得よう。２個の帯片は、５０μｍ乃至１５０μｍの間の例えば１００μｍとされた実質的に同一の幅ａ、および、１０μｍ程度の厚みｂ、ｂ’を有している。脚部９を介して基材１０に取付けられた帯片１は全長Ｌを有するが、これは典型的には３００μｍ乃至９００μｍであり、例えば５００μｍである。この帯片１は、実質的に同一の長さを有しながらも異なる機能を達成する３個の領域を含んでいる。帯片の一端３は脚部９への取付けを許容すると共に、帯片の残りの部分は基材１０上方に張出されている。“末端部”として示された長さがＬ０の他端５は、磁気的作用を確かなものとする。中間部４は、帯片１の可撓性、すなわち、所定磁界内における他端５の最大撓みの調節を許容することにより、機械的作用を確かなものとする。この目的の為に、中間部４はその中心にて矩形開口６を含むが、これは、脚部９に取付けられた端部３を末端部５に接続する２個の峡部８ａ、８ｂを帯片１の縁部に形成するものである。従って、この中間部における合計断面積は他端部５の断面積ａ・ｂよりも小さく、所定の弾性率を有する材料に関しては一層大きな可撓性を帯片に与えるものである。基材に取付けられた第２帯片２は、厚みｂ’、長さＬ’を有するが、格別の構造化は行われていない。但し、その厚みｂ’は可撓帯片１の厚みｂと実質的に同一であれば好適である。上記の２個の帯片は相互に関し、長さｒに亙り重複し即ち重なり合い、１０μｍ乃至１５μｍの空隙ｅをそれらの対向表面間に画成する如く位置せしめられる。２個の帯片の重複長さｒは、帯片に対して選択された厚みｂ、ｂ’の数倍に等しいものとし、磁界の分散効果を減少するのが好適である。
【００１７】
その最終的な用途に依り、上記マイクロスイッチは空気中もしくは制御された雰囲気中に密閉収納され得るが、それは例えば、基材表面に接着もしくは溶着された不図示のプラスチックハウジング、または、適宜なケース内への組付けにより、行われる。
次に図７および図８を参照し、図１に示されたマイクロスイッチを基材10から直流成長により作成する方法を簡単に記述する。この方法は本質的に、上記米国特許第5,430,421 号に開示された方法の少なくともひとつの段階に適合する段階を含んでおり、これに関しては更に詳細に言及する。図７は、犠牲層を除去する前にその製造バッチから取り外された単一個のマイクロスイッチの峡部8aを通る長手断面を示している。実際、基材10は単に、絶縁材料もしくは半導体材料、または、絶縁材料により被覆された導体材料からなるウェハの一部であるに過ぎず、単一回のバッチにおける複数のマイクロスイッチの製造を許容している。析出は先ず蒸着などにより例えばチタンもしくはクロムの接着層12a および13a から行い、次に、例えば金などの保護層12b および13b を析出させ、公知の方法により表面を食刻することにより、電気的に絶縁された２つの経路12および13を形成する。次に、例えばスピンコーティング方法などにより、厚寸のフォトレジスト層14、15および16が順次に析出されるが、フォトレジスト層の各々は、段階的に直流成長を許容する開口を配置すべく（不図示の）マスクによりパターン形成される。第１層14は、脚部9 の第１レベル9aと帯片2 との直流成長を許容する２個の開口によりパターン化される。第２層15は、脚部9 の第２レベル9bが直流成長により得られることを許容する単一の開口によりパターン化される。フォトレジストの第３層16の析出を行う前に、新たな二重金属被覆17を行う。この第３層16は、脚部9 に取付けられた端部3 、末端部5 および峡部8a、8bにより対応画成される開口であって、直流成長が行われない開口を残すべくパターン化されているが、これは図８に更に明確に現われている。この例においては、直流成長の全ての段階は、例えば20-80 の鉄- ニッケル合金などの同一の強磁性材料により実行され得る。帯片が磁界に晒されたときのそれらの電気的接続を改善することも可能であり、それは、例えば第１の直流析出後であって最後の直流析出の前にそれらの対向表面を金により被覆することで行われる。これにより得られる微小構造は次に一段階もしくは数段階に亙り食刻剤に晒され、フォトレジストおよび中間金属被覆層17が除去され、マイクロスイッチが出現する。既に示した様に、これらの操作の全てはマイクロスイッチのバッチに対して行われるものであり、マイクロスイッチの最終用途に依り決定される配置構成に従って個々にもしくはまとめて切断して取り外される前に、密閉収納され得るものである。
【００１８】
図２は帯片に平行な磁界内への載置を意図した別のマイクロスイッチの例を示しており、ここでも可撓帯片は一個のみである。可撓帯片の中間部4 は３個の峡部8a、8bおよび8cにより形成された２個の矩形開口6aおよび6bを含んでいる。図１および図２を比較すれば理解される如く、基材に取付けられた第２帯片2 の長さL'=L₀ であり、２個の帯片は同一の厚みb=b'を有しているが、これらの厚みは図１に示されたものより大きく、これと対応して空隙e は小さな値を有している。
【００１９】
図３に示されたマイクロスイッチは、帯片に直交的な磁界内への載置が意図されている。図示される様に、基材に取付けられた第２帯片2 は、少なくとも２個の帯片の重複長さr に等しい長さL'と、可撓帯片の厚みb より大きな厚みb'とを有する接触隆起部に減寸され得る。この例においては、脚部の第１レベルと帯片2 とを形成する第１成長段階を、例えば金などの非磁性材料で実施することも可能である。また、中間部は、実質的に矩形の３個の隣接開口6a、6bおよび6cを含み、脚部から離れる方向に幅が増加する３個の領域s 、m およびl により形成される峡部8aおよび8bにより帯片の各縁で画成される単一の開口を形成している。
【００２０】
図４において、帯片と平行な磁界内に載置されることが意図されたマイクロスイッチは、その可撓帯片の中間部に、該帯片の縁部に凹所6dおよび6eを形成する単一の峡部8cを含んでいる。
図５に示されたマイクロスイッチにおいては、基材10に取付けられた帯片2 に関する可動帯片の可撓性は、中間部4 の厚みb"を、末端部5 の厚みb よりも小さくすることで達成されている。図示された実施例におけるこの形態は、基材に対向するノッチ6fに依るものである。この微小構造を直流成長により形成する為には、ノッチ6fを形成する為の付加的段階を行う必要があることは勿論である。
【００２１】
図６は、帯片に平行な磁界に載置されることが意図されたマイクロスイッチを示しており、２個の帯片は相互に対して移動可能とされている。第１の帯片1 は脚部9 を介して基材10に取付けられると共に、その中間部分に開口6 を含んでいる。第２の帯片2 は、脚部11を介して基材10に取付けられている。図示された実施例においては、この第２帯片もまた中間部に矩形開口7 を含んでいる。この中間部は、帯片1 に関して上述した形状のいずれとしても良く、または、脚部11に固着されたそれの端部からそれの末端に向けて全体的に一定の断面を有しても良い。この微小構造を直流成長により形成する為には、帯片2 および脚部9 の付加レベルを直流析出により形成かつ成長させる前に、脚部11を形成する付加的段階を実施すると共に付加的な金属被覆段階を行う必要があることは勿論である。
【００２２】
当業者であれば、本発明の範囲から逸脱すること無しに、大きな可撓性を有する少なくとも一個の中間部の他の形態を想起することにより、改善された磁気機械的特徴を有するマイクロスイッチを実現し得ることは自明であろう。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、マイクロスイッチの全体的スペース要件を変更することなく、少なくとも１個の帯片のそのままの幾何的配置により該帯片の可撓性を増大し、これを、上記帯片の端部にて得られる最大力を変更することなく行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】単一の可撓帯片を有するマイクロスイッチの第１実施例の全ての特性長さを示している斜視図である。
【図２】１個の帯片のみが可撓性を有する、第２実施例の斜視図である。
【図３】１個の帯片のみが可撓性を有する、第３実施例の斜視図である。
【図４】１個の帯片のみが可撓性を有する、第４実施例の斜視図である。
【図５】１個の帯片のみが可撓性を有する、第５実施例の斜視図である。
【図６】２個の帯片が可撓性を有する、第６実施例の斜視図である。
【図７】犠牲層を除去する前の、図１のVII −VII 線に沿った断面図である。
【図８】犠牲層を除去する前の、図１のVIII−VIII線に沿った断面図である。
【符号の説明】
1 、2 …帯片
3 …一端
4 …中間部
5 …末端部
6 …矩形開口
7 …矩形開口
9 …脚部
10…基材
11…脚部
17…金属被覆層
21、22…導体

Claims (15)

1. 基材（１０）から直流成長によって形成される磁気マイクロスイッチであって、長さがＬで幅がａの導電性帯片（１）と長さがＬ’で幅がａの導電性帯片（２）とを有し、これら導電性帯片がその一端においてそれぞれ電気接続手段（２１，２２）に接続されており、これら導電性帯片が、厚みがｂで断面積がａ×ｂの末端部（５）および厚みがｂ’で断面積がａ×ｂ’の末端部（５’）をそれぞれ有し、これら末端部の長さｒに亙る重複部分が距離ｅの空隙を画成し、少なくとも一方の導電性帯片（１）が磁気材料から形成されて脚部（９）を介して上記基材に取り付けられる一端（３）と中間部（４）と長さがＬ_０の末端部（５）とを有し、該一方の導電性帯片が磁界が無いときの開成位置と２つの導電性帯片が磁界の影響で相互に接触する閉成位置との間で他方の導電性帯片（２）の末端部に対して撓曲可能であり、上記可撓性を有する方の導電性帯片が磁界の影響による接触を行うように少なくとも上記ｅに等しい大きさだけ撓曲すると共に磁界が無いときに開成位置に向けて十分な戻り力を有するように、該可撓性を有する方の導電性帯片（１）の中間部（４）が上記末端部（５）の断面積よりも小さい断面積を有するように形成されて、より小さな曲げ抵抗を有する磁気マイクロスイッチにおいて、上記中間部（４）が、上記脚部（９）に固着された端部（３）に上記末端部（５）を接続する少なくとも１つの峡部（８ａ，８ｂ，８ｃ）により形成されることを特徴とする磁気マイクロスイッチ。
2. 付与される磁界が上記２つの導電性帯片（１，２）に平行である場合、これら導電性帯片が磁性材料から形成されることを特徴とする請求項１記載の磁気マイクロスイッチ。
3. 上記可撓性を有する方の導電性帯片（１）が長さ全体にわたって一定の厚みｂを有することを特徴とする請求項１記載の磁気マイクロスイッチ。
4. 上記中間部が実質的に矩形もしくは正方形の１つの開口（６）を形成するように上記導電性帯片の縁部に配置された２つの峡部（８ａ，８ｂ）を有することを特徴とする請求項３記載の磁気マイクロスイッチ。
5. 上記中間部（４）が上記導電性帯片の丈に平行に延伸して実質的に矩形もしくは正方形の複数の開口（６ａ，６ｂ）を形成する２つより多い峡部（８ａ，８ｂ，８ｃ）を有することを特徴とする請求項３記載の磁気マイクロスイッチ。
6. 実質的に矩形もしくは正方形の連続する複数の開口（６ａ，６ｂ，６ｃ）を形成するように上記導電性帯片の縁部に配置された２つの峡部（８ａ，８ｂ）の断面積が上記脚部への取付領域から上記末端部に向って増大することを特徴とする請求項４記載の磁気マイクロスイッチ。
7. 上記中間部（４）が上記導電性帯片の各縁部に凹所（６ｄ，６ｅ）を画成する１つの中央峡部（８ｃ）を有することを特徴とする請求項１記載の磁気マイクロスイッチ。
8. 上記中間部（４）の厚みが上記末端部（５）の厚みｂよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の磁気マイクロスイッチ。
9. 上記導電性帯片（１，２）の長手軸心に平行に磁界が付与される場合、他方の導電性帯片（２）が上記基材に取り付けられると共に一定の断面積と実質的に上記Ｌ_０に等しい長さＬ’とを有することを特徴とする請求項１記載の磁気マイクロスイッチ。
10. 上記導電性帯片（１，２）の長手軸心に直交して磁界が付与される場合、他方の導電性帯片（２）が上記基材に取り付けられると共に一定の断面積と実質的に上記ｒに等しい長さＬ’とを有することを特徴とする請求項１記載の磁気マイクロスイッチ。
11. 上記２つの導電性帯片（１，２）がそれぞれ脚部（９，１１）を介して上記基材に取り付けられることを特徴とする請求項１記載の磁気マイクロスイッチ。
12. 各導電性帯片の中間部が小さな曲げ抵抗を有するように形成されることを特徴とする請求項１１記載の磁気マイクロスイッチ。
13. 上記導電性帯片（１，２）の長手軸心に平行に磁界が付与される場合、２つの導電性帯片（１，２）の末端部が同じ厚みｂ，ｂ’（ｂ＝ｂ’）を有することを特徴とする請求項１記載の磁気マイクロスイッチ。
14. 上記導電性帯片（１，２）の上記末端部（５，５’）の厚みｂ、ｂ’を増加することによって当該磁気マイクロスイッチ全体のスペース上の要件を変えることなく空隙ｅを相対的に減少することができることを特徴とする請求項１３記載の磁気マイクロスイッチ。
15. 電気的に絶縁された２つの経路（１２，１３）を基材（１０）上に形成するステップと、
    直流成長を段階的に行えるように連続した厚寸のフォトレジスト層（１４，１５，１６）を形成するステップであって、これらフォトレジスト層の１つ（１６）が、直流成長が行われない少なくとも１つの峡部（８ａ，８ｂ，８ｃ）に対応して、開口を残すよう又は該フォトレジスト層（１６）の中間部の縁部に少なくとも１つの凹所（６ｄ，６ｅ）を残すようパターン化されているステップと、
    帯片を形成するステップそれぞれの前に既に得られている構造の表面全体に中間金属被覆（１７）を行うステップと、
    １つ以上のステップにおいて上記フォトレジスト層および上記中間金属被覆層を食刻剤により除去するステップと、
    を具備することを特徴とする請求項１記載の磁気マイクロスイッチを製造する方法。

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