JP4720761B2 - マイクロリレー - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロリレー、特に半導体微細加工技術を利用して形成されたマイクロリレーに関する。
従来から、半導体微細加工技術を利用して形成された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)。
この種のマイクロリレーは、図4に示すように、一対の固定接点110が設けられたボディ100と、可動接点210を有し可動接点210が一対の固定接点110の両方に接触して固定接点110間を電気的に接続する閉位置と可動接点210が一対の固定接点110の両方から離間して固定接点110間を電気的に接続しない開位置との間で移動するようにボディ100に揺動自在に支持されたアーマチュア200と、アーマチュア200を揺動させる駆動手段(図示せず)とを備えている。
特開2006−210081号公報(図1,2参照)
ところで、上述したマイクロリレーにおいて、固定接点110を形成するにあたっては、一般にスパッタ法、電気めっき法、真空蒸着法などが用いられているが、これらの方法を用いて固定接点110を形成した際には、図4に示すように、固定接点110の縁部111に、突起112が形成されてしまうおそれがある。
固定接点110の縁部111(特に、固定接点110において他の固定接点110と対向する側の縁部111)に突起112が形成されていると、可動接点210と各固定接点110との接触時には、可動接点210に突起112が当接し、可動接点210が傾いた状態で各固定接点110と接触してしまう。
このような場合には、各固定接点110と可動接点210との接触面積が設計値よりも小さくなるため、固定接点110と可動接点210との間の接触抵抗が相対的に大きくなってしまう。
上述したような突起112は、固定接点110の縁部111に意図せずに形成されてしまうものであって、突起112が形成された場合には、その形状は製品毎に異なる蓋然性が高いから、製品毎に固定接点110と可動接点210との間の接触抵抗がばらついてしまい、安定した性能のマイクロリレーが得られないという問題が生じていた。
本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的は、製品毎に固定接点と可動接点との間の接触抵抗がばらつくことを抑制できて、安定した性能が得られるマイクロリレーを提供することにある。
上記の課題を解決するために、請求項1の発明では、複数の固定接点からなる固定接点部を有するボディと、固定接点部に対応する部位に固定接点部との接触時に複数の固定接点間を電気的に接続する可動接点を有し当該可動接点が固定接点部に対して接離するようにボディに揺動自在に支持されたアーマチュアと、アーマチュアを揺動させる駆動手段とを備え、ボディにおいて可動接点に対応する部位には、複数の固定接点それぞれにおいて少なくとも他の固定接点と対向する側の縁部が、可動接点と接触しないように入り込む接触防止用凹部が形成されており、接触防止用凹部におけるボディの表面に縁部が延設されていることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、ボディにおいて可動接点と対応する部位に形成された接触防止用凹部に、複数の固定接点それぞれにおいて少なくとも他の固定接点と対向する側の縁部が入り込んでいるので、固定接点と可動接点が接触する際に、固定接点の前記縁部が可動接点とは接触しなくなって、固定接点の形成時に固定接点の縁部に突起が形成されてしまった場合でも、このような突起によって固定接点と可動接点との接触面積が小さくなることを抑制できるから、製品毎に固定接点と可動接点との間の接触抵抗がばらついてしまうことを抑制できて、安定した性能が得られる。
請求項2の発明では、請求項1の発明において、固定接点において可動接点に接触される固定側接触部と、可動接点において固定接点に接触される可動側接触部のいずれか一方は、可動接点の移動方向に交わる方向を法線方向とする平面形状に形成され、残る他方は、前記法線方向と反対側の方向に凸となる曲面形状に形成されていることを特徴とする。
請求項2の発明によれば、固定接点と可動接点とが接触する際には、可動接点が固定接点上を摺動して固定接点との接触が安定する位置に位置し易くなるから、可動接点と固定接点との接触信頼性が向上する。
本発明は、製品毎に固定接点と可動接点との間の接触抵抗がばらついてしまうことを抑制できて、安定した性能が得られるという効果を奏する。
(実施形態1)
本実施形態のマイクロリレーは、例えば、常開接点と常閉接点とを備えた所謂ラッチング型リレーであり、図2に示すように、一対の固定接点20からなる固定接点部が表面側(図2における上面側)の長手方向両端側それぞれに設けられたボディ2と、固定接点部それぞれに対応する部位に固定接点部との接触時に一対の固定接点20間を電気的に接続する可動接点50を有し当該可動接点50が固定接点部に対して接離するようにボディ2に揺動自在に支持されたアーマチュア5と、ボディ2の前記表面側に接合されアーマチュア5が内側に配置されるフレーム3と、フレーム3におけるボディ2側とは反対側に接合されたカバー4と、アーマチュア5を揺動させる駆動手段となる電磁石装置6とを備え、ボディ2とフレーム3とカバー4とによってリレー本体1が構成されている。
ボディ2は、例えば、直方体状のガラス基板により形成されている。ボディ2の前記表面側における長手方向両端側それぞれには、接触防止用凹部21がボディ2の短手方向中央部に位置する形で形成されている。
接触防止用凹部21は、ボディ2の長手方向に直交する面内の空間形状が開口側(図1における上面側)に向けて拡開する形状となっており、ボディ2の幅方向(図1における左右方向)における両内側面は、その法線方向が底面の法線方向と鋭角をなす方向となっている。このような接触防止用凹部21はブラスト加工、またはフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して形成できる。
また、ボディ2の前記表面側の長手方向両端側それぞれに一対の固定接点20からなる固定接点部が形成されている。ここで、一対の固定接点20は、図1に示すように、前記表面側の短手方向に沿った方向(図1における左右方向)で互いに対向する形でボディ2の前記表面に膜厚が略均一となるように形成されている。また、各固定接点20は、互いに対向する側の縁部20aが、接触防止用凹部21に入り込むように延設されている。なお、固定接点20は、例えば、CuやAuなどの導電性が良好な金属材料からなる金属薄膜であって、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されている。また、固定接点20は、単層構造のものに限らず、例えば、ボディ2の前記表面に形成されたTi層と、Ti層におけるボディ2側とは反対側に形成されたAu層とからなる多層構造のものであってもよい。
また、ボディ2において各固定接点20それぞれと厚み方向で重なる部位には、スルーホール(図示せず)が、ブラスト加工、またはフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して形成され、スルーホールの内周面には、図示しない外部回路(例えば、マイクロリレーを実装するプリント基板の電気回路)などと固定接点20とを電気的に接続する貫通孔配線(図示せず)が、電気めっき法などを用いて形成されている。
一方、ボディ2の中央部には、ボディ2を厚み方向に貫通する電磁石装置6収納用の開孔部(図示せず)が形成され、ボディ2の前記表面側には、例えば厚みが5〜50μm程度(好ましくは20μm程度)に形成されたシリコン板やガラス板などからなり開孔部全体を閉塞する閉塞板23が密着接合されている。したがって、開孔部の内周面と閉塞板23とで囲まれる空間部が電磁石装置6の収納室を構成している。
フレーム3は、図2に示すように、アーマチュア5が内側に配置される開口3aを有する矩形枠状に形成され、開口3aにおいてフレーム3の短手方向で対向する内側面それぞれの長手方向中央部には、フレーム3の長手方向に沿った方向でのアーマチュア5の移動を規制する一対の規制突起3bが形成されている。なお、フレーム3はボディ2のサイズと同サイズに形成されている。
アーマチュア5は、図2に示すように、フレーム3の開口3a内に配置されるアーマチュア本体51を有している。アーマチュア本体51は、フレーム3の長手方向に沿った方向を長手方向とする長方形状に形成され、ボディ2との対向面側(図2における下面側)に接極子板(図示せず)が接合された主部52と、主部52の長手方向両端側に配置された接点基台53とを備えている。
ここで、前記接極子板は、電磁石装置6で発生させる磁力によりアーマチュア5を揺動させるためのものであり、電磁軟鉄、電磁ステンレス、パーマロイなどの磁性材料を機械加工して形成され、接着、溶接、熱着、ロウ付けなどの方法で、主部52に接合されている。
主部52の厚みは、アーマチュア5におけるボディ2との対向面(すなわち、主部52に接合された接極子板における主部52とは反対側の表面)よりも、フレーム3におけるボディ2との対向面が、ボディ2側に位置するような厚みに設定されている。したがって、フレーム3をボディ2に接合した際には、アーマチュア5におけるボディ2との対向面とボディ2の前記表面との間に、アーマチュア5を揺動自在とするための空間部が形成される。
主部52の短手方向両側における長手方向中央部には、それぞれ短手方向へ突出する突出部52aが中心線を一致させた形で一体に突設されている。突出部52aは、図2に示すように、フレーム3の一対の規制突起3b間に配置され、突出部52aが一対の規制突起3bのいずれかとフレーム3の長手方向において当接することで、フレーム3の長手方向に沿った方向へのアーマチュア5の移動が規制される。
一方、主部52におけるボディ2との対向面側の長手方向中央部には、ボディ2の前記表面側に当接してアーマチュア5の揺動動作(シーソ動作)の支点となる支点突起(図示せず)が、主部52の短手方向に離間する形に設けられている。さらに、主部52の前記対向面側の四隅それぞれには、ボディ2に当接することでアーマチュア5の揺動範囲を規制するストッパ(図示せず)が形成されている。なお、本実施形態では、閉塞板23の四隅部に切り欠きを設けることで、ボディ2の前記表面においてストッパと対向する部位には、閉塞板23が存在しないようにし、ストッパが閉塞板23と衝突しないようにしている。また、各ストッパの突出寸法は、主部52の対向面とボディ2の前記表面とが平行となる位置にアーマチュア5を位置させた状態では、ボディ2と当接しないような値に設定されている。
接点基台53は、フレーム3の短手方向に沿った方向を長手方向とする直方体状に形成され、ボディ2との対向面(図2における下面)には、固定接点部との接触時に一対の固定接点20間を電気的に接続する可動接点50が形成されている。また、接点基台53は、ボディ2の接触防止用凹部21の開口サイズよりも大きいサイズに形成され、可動接点50がボディ2の固定接点部に接触した際に、接触防止用凹部21に入り込むことが無いようにしている。各接点基台53は、一対の連結片54により図2に示すように主部52と一体に連結されている。連結片54は、厚み方向に直交する面内で少なくとも一部が接点基台53の長手方向に沿った方向に進む形に蛇行した形状に形成され、接点基台53の可動接点50が固定接点20に接触した際に、所定の接圧を付与できるようにしている。
ところで、主部52は図2に示すように支持片55によりフレーム3と一体に連結されている。支持片55は、フレーム3の開口3aの短手方向における内側面と、当該内側面に対向する主部52の短手方向の外側面とを一体に連結するものであって、アーマチュア5の揺動軸に対して線対称となるように4つ形成されている。
支持片55は、厚み方向に直交する面内で少なくとも一部が主部52の長手方向に沿った方向に進むように蛇行した形状に形成されているから、アーマチュア5がフレーム3に揺動自在に支持されることになる。また、支持片55を蛇行した形状に形成することで、支持片55の長さを長くでき、アーマチュア5が揺動動作する際に支持片55がねじられることで生じるばね力のばね定数を適切に小さくできるとともに、支持片55に加えられる応力も分散できる。なお、支持片55は、フレーム3よりも厚みが薄く形成され、幅方向の寸法が厚み寸法よりも小さく形成されている。
なお、本実施形態では、アーマチュア本体51とフレーム3とが同じ基板から形成されている。すなわち、アーマチュア本体51を構成する主部52、接点基台53、連結片54、および支持片55と、フレーム3とは、例えば、50μm〜300μm程度、好ましくは200μm程度の厚みのシリコン基板をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用してパターニングすることにより形成されている。
カバー4は、例えば、耐熱ガラスなどの耐熱性に優れる材料によりボディ2と同サイズの矩形板状に形成され、フレーム3との対向面側(図2における下面側)には、アーマチュア5との接触を防止してアーマチュア5をリレー本体1内に揺動自在に収納するための逃げ凹部(図示せず)が形成されている。
電磁石装置6は、図2に示すように、ヨーク60と、永久磁石63と、一対のコイル64とを備えている。ヨーク60は、電磁軟鉄などの鉄板を曲げ加工あるいは鍛造加工してなり、長尺矩形板状の中央片61と、中央片61の表面側(図2における上面側)の長手方向両端部それぞれに突設された矩形板状の脚片62とを一体に備えている。永久磁石63は、脚片62の中央片61からの突出寸法と略同寸法の厚みの直方体状に形成され、厚み方向の一面側と他面側とが互いに異極となるように着磁されている。この永久磁石63は、前記他面をヨーク60の中央片61の前記表面における長手方向中央部に当接させた状態でヨーク60に取着される。各コイル64は、各脚片62と永久磁石63との間の中央片61の部位それぞれに巻回されている。
そして、本実施形態のマイクロリレーは、上述したボディ2の前記表面側に、アーマチュア5の各接点基台53の可動接点50と一対の固定接点20からなる各固定接点部とがそれぞれ対向する形で、フレーム3を接合(例えば、陽極接合)し、フレーム3におけるボディ2側とは反対側にカバー4を接合(例えば、陽極接合)し、ボディ2の開孔部に電磁石装置6を収納することによって構成されている。
このマイクロリレーでは、アーマチュア5は、可動接点50が固定接点部に接触して一対の固定接点20間を電気的に接続する閉位置と、可動接点50が固定接点部から離間して一対の固定接点部20間を電気的に接続しない開位置との間で移動するようにリレー本体1に揺動自在に収納され、可動接点50と固定接点部によってリレー本体1の長手方向両端側それぞれに接点機構部が構成される。なお、リレー本体1内には不活性ガスを充填してもよい。
次に、本実施形態のマイクロリレーの動作について図1および図2を参照して説明する。なお、以下の説明では、一対の固定接点20に関しては、必要に応じてリレー本体1の長手方向一端側(図2における右下側)のものと他端側(図2における左上側)のものとを区別するために、符号20A,20Bで表す。また、同様の理由から、可動接点50を符号50A,50Bで、接点基台53を符号53A,53Bで、脚片62を符号62A,62Bで、コイル64を符号64A,64Bでそれぞれ表す。また、初期状態では、可動接点50がいずれの固定接点20とも接触していないとする。
初期状態から電磁石装置6の両コイル64それぞれに所定方向に電流が流れるように通電すると、コイル64で発生する磁束は、例えば、脚片62Aでは永久磁石63が発生する磁束と同方向となり、脚片64Bでは永久磁石63が発生する磁束と逆方向となるから、脚片62Aの先端面とアーマチュア5の接極子板との間に吸引力が生じる。
そのため、アーマチュア5は、主部52の前記支点突起の頂点を支点として揺動動作し、アーマチュア5の主部52の長手方向一端側(リレー本体1の長手方向一端側と同じ側)に設けられたストッパがボディ2の前記表面に当接した状態となる。このとき、ストッパがボディ2の前記表面に当接することで、接極子板が閉塞板23に衝突しないから閉塞板23の破損が防止される。
このようにアーマチュア5が前記初期状態から傾いた状態では、接点基台53Aの可動接点50Aが、一対の固定接点20Aからなる固定接点部と所定の接圧で接触して、一対の固定接点20A間を電気的に接続する閉位置に位置する。ここで、リレー本体1のボディ2において可動接点50に対応する部位それぞれには、接触防止用凹部21が形成されているから、固定接点20Aと可動接点50Aが接触するにあたっては、可動接点50Aは、接触防止用凹部21の外側に位置する固定接点20Aの部位と接触する。つまり、可動接点50Aは、接触防止用凹部21に入り込んだ各固定接点20Aの縁部20aとは接触しないようになっている。
一方、接点基台53Bの可動接点50Bは、一対の固定接点20Bからなる固定接点部から離間して、一対の固定接点20B間を電気的に接続しない開位置に位置する。
したがって、電磁石装置6の両コイル64に前記所定方向に電流を流すと、一対の固定接点20A間のみが電気的に接続される。
この状態で、両コイル64への通電を停止した場合には、永久磁石63が発生する磁束が、永久磁石63→接触子板→脚片62A→永久磁石63という閉磁路を通るため、上記状態が保持される。
その後に、両コイル64それぞれに、前記所定方向とは逆方向に電流が流れるように通電すると、コイル64が発生する磁束は、脚片62Bでは永久磁石63が発生する磁束と同方向となり、脚片64Aでは永久磁石63が発生する磁束と逆方向となるから、脚片62Bの先端面とアーマチュア5の接極子板との間に吸引力が生じる。
そのため、アーマチュア5は、主部52の前記支点突起の頂点を支点として上記とは反対方向へ揺動動作し、アーマチュア5の主部52の長手方向他端側(リレー本体1の長手方向他端側と同じ側)に設けられたストッパがボディ2の前記表面に当接した状態となる。
このようにアーマチュア5が傾いた状態では、接点基台53Bの可動接点50Bが、一対の固定接点20Bからなる固定接点部と所定の接圧で接触して、一対の固定接点20B間を電気的に接続する閉位置に位置する。可動接点50Bと一対の固定接点20Bとが接触する際においても、可動接点50Aの場合と同様に、可動接点50Bは、接触防止用凹部21の外側に位置する固定接点20Bの部位と接触し、接触防止用凹部21に入り込んだ固定接点20Bの縁部20aとは接触しないようになっている。
一方、接点基台53Aの可動接点50Aは、一対の固定接点20Aからなる固定接点部から離間して、一対の固定接点20A間を電気的に接続しない開位置に位置する。
したがって、電磁石装置6の両コイル64に前記所定方向とは逆方向に電流を流すと、一対の固定接点20B間のみが電気的に接続される。
この状態で、両コイル64への通電を停止した場合には、永久磁石63が発生する磁束が、永久磁石63→接触子板→脚片62B→永久磁石63という閉磁路を通るため、上記状態が保持される。
そして、一対の固定接点20A間を電気的に接続したい場合には、両コイル64に前記所定方向に電流が流れるように通電すればよい。
このように本実施形態のマイクロリレーは、両コイル64の通電方向によって、常開接点と常閉接点とが切り換えられるラッチング型リレーとなっている。
以上述べた本実施形態のマイクロリレーによれば、リレー本体1のボディ2において可動接点50と対応する部位に形成された接触防止用凹部21に、一対の固定接点20それぞれにおいて互いに対向する側の縁部20aが入り込んでいるので、固定接点20と可動接点50が接触する際に、固定接点20の縁部20aが可動接点50とは接触しなくなる。そのため、スパッタ法などを用いて固定接点20を形成した際に、固定接点20の縁部20aに図1に示すように突起22が形成されてしまった場合でも、可動接点50が突起22に接触することがないので、このような突起22によって固定接点20と可動接点50との接触面積が小さくなることを抑制できるから、製品毎に固定接点20と可動接点50との間の接触抵抗がばらついてしまうことを抑制でき、安定した性能が得られ、その上、接触抵抗の低抵抗化が図れる。
ところで、本実施形態のマイクロリレーでは、接触防止用凹部21を、固定接点20において他の固定接点20と対向する側の縁部20aが入り込むように形成しているが、接触防止用凹部21は、固定接点20において少なくとも可動接点50と厚み方向で重なる部位の縁部20a全てが、入り込むような形状に形成してもよく、このようにすれば、固定接点20の縁部20aの全てが可動接点50と接触しなくなるから、接触抵抗のさらなる安定化が図れる。
なお、本実施形態のマイクロリレーでは、一対の固定接点20により固定接点部を構成しているが、固定接点部はさらに多くの固定接点20により構成され、可動接点50が固定接点部に接触した際には、可動接点50によって全ての固定接点20が電気的に接続されるようにしてもよい。また、リレー本体1のボディ2に固定接点20を設けているが、カバー4側に固定接点20を設けるようにしてもよい。さらに、本実施形態のマイクロリレーでは、アーマチュア5を駆動する駆動手段として、永久磁石63を用いた有極型の電磁石装置6を用いているが、永久磁石63を用いない無極型の電磁石装置を用いてもよい。また、本実施形態のマイクロリレーでは、ラッチング型のリレーを例示しているが、これに限定する趣旨ではない。これらの点は後述する実施形態2においても同様である。
(実施形態2)
本実施形態のマイクロリレーは、主として接点基台53の構成が実施形態1と異なっており、その他の構成は実施形態1と同様であるから説明を省略する。
本実施形態における接点基台53は、図3に示すように、接触防止用凹部21の底面のサイズよりも大きく、且つボディ2の接触防止用凹部21の開口サイズよりも小さいサイズに形成されている。そのため、本実施形態においては、可動接点50は、接触防止用凹部21の幅方向の内側面に形成された固定接点20の部位と接触するようになっている。
つまり、接触防止用凹部21の幅方向の内側面に形成された固定接点20の部位が固定接点20において可動接点50と接触される固定側接触部20bとなる。
ここで、固定接点20は上述したように膜厚が均一となるように形成され、接触防止用凹部21の両内側面は、その法線方向が接触防止用凹部21の底面の法線方向と鋭角をなす方向となっており、本実施形態では、前記底面の法線方向は、接点基台53の移動方向に沿った方向となっているから、固定側接触部20bは、その表面の法線方向が、可動接点50の移動方向に交わる方向となっている。
一方、接点基台53におけるボディ2との対向面(図3における下面)は、接点基台53の短手方向に直交する面内においてボディ2側に凸となるR形状に形成されている。可動接点50は、接点基台53におけるボディ2との対向面に、膜厚が均一となるように形成されている。
そのため、可動接点50の表面もR形状となり、可動接点50において固定側接触部20bと接触する部位(以下、「可動側接触部」と称する)50aは、固定側接触部20bの表面の法線方向と反対側の方向に凸となる曲面形状を有している。なお、接点基台53におけるボディ2との対向面の表面は、仮想的な球面の一部を構成する曲面(所謂SR形状)であってもよい。
すなわち、本実施形態のマイクロリレーでは、図3に示すように、固定側接触部20bは、可動接点50の移動方向に交わる方向を法線方向とする平面形状に形成され、可動側接触部50aは、前記法線方向と反対側の方向に凸となる曲面形状に形成されている。
したがって、本実施形態のマイクロリレーによれば、アーマチュア5の揺動によって接点基台53が接触防止用凹部21内に押し込まれた際には、可動接点50の移動方向に交わる方向を法線方向とする平面形状に形成された固定側接触部20bと、前記法線方向と反対側の方向に凸となる曲面形状に形成された可動側接触部50aとが接触して、可動接点50が固定接点20上を摺動するから、固定接点20との接触が安定する位置に位置し易くなり、可動接点50と固定接点20との接触信頼性が向上する。
なお、図3に示す例とは逆に、可動側接触部50aが、可動接点50の移動方向に交わる方向を法線方向とする平面形状に形成され、固定側接触部20bが、前記法線方向と反対側の方向に凸となる曲面形状に形成されていてもよく、このような場合でも同様の効果が得られる。
実施形態1のマイクロリレーの要部の概略断面図である。 同上におけるマイクロリレーの分解斜視図である。 実施形態2のマイクロリレーの要部の概略断面図である。 従来例のマイクロリレーの要部の概略断面図である。
符号の説明
2 ボディ
5 アーマチュア
6 電磁石装置(駆動手段)
20 固定接点
20a 縁部
20b 固定側接触部
21 接触防止用凹部
50 可動接点
50a 可動側接触部

Claims (2)

  1. 複数の固定接点からなる固定接点部を有するボディと、固定接点部に対応する部位に固定接点部との接触時に複数の固定接点間を電気的に接続する可動接点を有し当該可動接点が固定接点部に対して接離するようにボディに揺動自在に支持されたアーマチュアと、アーマチュアを揺動させる駆動手段とを備え、
    ボディにおいて可動接点に対応する部位には、複数の固定接点それぞれにおいて少なくとも他の固定接点と対向する側の縁部が、可動接点と接触しないように入り込む接触防止用凹部が形成されており、接触防止用凹部におけるボディの表面に縁部が延設されていることを特徴とするマイクロリレー。
  2. 固定接点において可動接点に接触される固定側接触部と、可動接点において固定接点に接触される可動側接触部のいずれか一方は、可動接点の移動方向に交わる方向を法線方向とする平面形状に形成され、残る他方は、前記法線方向と反対側の方向に凸となる曲面形状に形成されていることを特徴とする請求項1記載のマイクロリレー。
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