JPH05114347A - 電磁式リレー - Google Patents

電磁式リレー

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JPH05114347A
JPH05114347A JP27380091A JP27380091A JPH05114347A JP H05114347 A JPH05114347 A JP H05114347A JP 27380091 A JP27380091 A JP 27380091A JP 27380091 A JP27380091 A JP 27380091A JP H05114347 A JPH05114347 A JP H05114347A
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JP
Japan
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electromagnetic
substrate
magnet
movable
movable piece
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JP27380091A
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English (en)
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Koji Matoba
宏次 的場
Kazuhiro Kimura
和博 木村
Yorishige Ishii
頼成 石井
Tomoyuki Miyake
知之 三宅
Shozo Kobayashi
省三 小林
Shigeo Terajima
重男 寺島
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H51/00Electromagnetic relays
    • H01H51/22Polarised relays
    • H01H51/2272Polarised relays comprising rockable armature, rocking movement around central axis parallel to the main plane of the armature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00Details of electromagnetic relays
    • H01H50/005Details of electromagnetic relays using micromechanics
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00Details of electromagnetic relays
    • H01H50/02Bases; Casings; Covers
    • H01H50/04Mounting complete relay or separate parts of relay on a base or inside a case
    • H01H50/041Details concerning assembly of relays
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00Details of electromagnetic relays
    • H01H50/005Details of electromagnetic relays using micromechanics
    • H01H2050/007Relays of the polarised type, e.g. the MEMS relay beam having a preferential magnetisation direction

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電磁式マグネットに直流電圧を印加すること
で起こる起磁力を駆動源とすることにより、従来のマイ
クロリレーよりも大きな駆動力の得られるマイクロリレ
ーを提供することにある。 【構成】 電気絶縁体の基板に設けた電磁式マグネット
と、上記電磁式マグネットを設けたこの基板主面にスペ
ーサ手段を介して対向配設された可動する半導体単結晶
からなる可動片とで機械要素を構成し、上記電磁式マグ
ネットに対向する上記可動片の表面に磁性体で形成され
た吸着部と、上記可動片に絶縁薄膜を介して形成された
可動接点層と、上記電気絶縁体の基板の主面に形成され
て上記可動接点層で開閉される固定接点層とを備えたこ
とを特徴とする電磁式リレー。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はマイクロマシーンの1
つであり、起磁力を駆動源とする電磁式リレーに関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来マイクロマシーンの1つに静電吸引
力を駆動源とする静電式リレーがある。
【0003】この静電式リレーは一例として特開平2−
100224号に開示されている。図14は従来の静電
式リレーの分解斜視図である。図15は図14のA−A
線断面図である。
【0004】この静電式リレーの動作について説明す
る。可動片911と前側の固定電極層902との間に直
流電圧を印加すると、可動片911の前片部911Aと
上記電極層902との間に静電吸引力が生起し、前片部
911Aは枢支部912を支点として電極層902側へ
歪んで変位するため、可動接点層914が固定接点層9
04,905に接触し、両固定接点層904,905間
が閉成される。上記直流電圧の印加を断つと、可動片9
11Aは枢支部912のねじれ復帰力で原状に復帰し、
両固定接点層904,905間が開放される。
【0005】可動片911と後側の固定電極層903と
の間に直流電圧を印加することにより、可動片911の
後片部911Bも上記と同様の動作を行なう。
【0006】ここで、可動片911をシリコン単結晶ウ
エハ908から形成すれば微細加工が可能となる。さら
に、上記可動片911を基体901とは別体のシリコン
単結晶ウエハ908から形成したから、スペーサ909
の選択によって電極間距離を変えて所望の駆動力を得る
ことができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
14に上げた微細加工による静電式リレーでは上記可動
接点層914が上記固定接点層904,905に接触
し、両固定接点層904,905間をON,OFF制御
をするために上記固定電極層902,903と上記可動
片911とで構成した駆動用対向電極間に所定の静電吸
引力を生起させることが必要である。また、対向する上
記電極間の隙間を小さくする必要があるが非常にこの隙
間を小さくすると短絡する危険性があるため、実状特定
の大きさ以下には作製できない。
【0008】そこで本発明の目的は電磁式マグネットに
直流電圧を印加することで起こる起磁力を駆動源とする
ことにより、従来のマイクロリレーよりも大きな駆動力
の得られるマイクロリレーを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明の請求項1に係る電磁式リレーは、電気絶縁体
の基板に設けた電磁式マグネットと、上記電磁式マグネ
ットを設けたこの基板主面にスペーサ手段を介して対向
配設された可動する半導体単結晶からなる可動片とで機
械要素を構成し、上記電磁式マグネットに対向する上記
可動片の表面に磁性体で形成された吸着部と、上記可動
片に絶縁薄膜を介して形成された可動接点層と、上記電
気絶縁体の基板の主面に形成されて上記可動接点層で開
閉される固定接点層とを備えたことを特徴としている。
請求項2に係る電磁式リレーは、上記可動片と上記吸着
部との間に微細なコイルを埋設してなることを特徴とし
ている。請求項3に係る電磁式リレーは、上記吸着部に
磁石を用いて形成されたことを特徴としている。
【0010】
【作用】本発明の請求項1の構成によれば駆動源となる
起磁力が生起する電磁式マグネットとこの電磁式マグネ
ットを設えた基板主面に対向して配設された可動する可
動片の表面に磁性体で形成された吸着部を設ける。上記
電磁式マグネットに直流電圧を印加することで起こる起
磁力を持って上記可動片を撓ませ、上記電磁式マグネッ
トに上記可動片を吸着する。すると、上記可動片に別途
形成された可動接点層で上記基板主面に形成された固定
接点層を開閉することができる。
【0011】本発明の請求項2の構成によれば特殊加工
により上記可動片と上記吸着部との間に微細なコイルを
埋設する。上記電磁式マグネットに直流電圧を印加、切
断した後わずかに上記吸着部に残留磁気が残るが、上記
可動片に埋設された上記コイルに直流電圧を、一時的に
印加して上記吸着部の残留磁気を取り除くことができ
る。
【0012】本発明の請求項3の構成によれば上記吸着
部は磁石を用いて形成する。常に上記電磁式マグネット
に直流電圧を印加しておけばこの電磁式マグネットは電
磁石として使える。上記電磁式マグネットのコイルに流
す電流の向きを変えることによって上記電磁式マグネッ
トの極性(N極・S極)を切り替えることができる。す
ると、上記電磁式マグネットに可動片を吸着したり、反
発したりすることができる。
【0013】
【実施例】本発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。図1は第1の実施例の電磁式リレーの分解斜視図で
ある。図2は図1のA−A線断面図である。図3はセラ
ミック基板側101の作成方法を段階的に示した図であ
り、図4は図3のセラミック基板101の貫通穴に挿設
させた電磁式マグネット102aの拡大断面図である。
【0014】電磁式マグネット102a,102bはコ
ア103a,103bとコイル(銅線)104a,10
4bから成っている。コア103a,103bは例えば
Mn(マンガン)−Zn(ジンク)フェライトを粉体に
して金型に入れて固め、焼成することによって作成し、
コイル104a,104bはコア103a,103bの
中の芯のまわりに例えば周りを絶縁物で被覆された0.
1mmの銅線により約30ターンずつ巻いて作成する。
【0015】セラミック基板101は例えばAl2
3(アルミナ)の粉体を金型に入れて固め焼成すること
によって作成する。セラミック基板101には、貫通穴
105a,105bが設けられている(図3(a))。
まず、セラミック基板101のA面の全面にCr(クロ
ム)とAu(金)を真空蒸着により成膜する。このとき
Crはセラミック基板101とAuの密着性を向上させ
るものでAuより先にCrを成膜する。Au/Crを成
膜した後、Au/Cr層をフォトリソグラフィー技術に
よるエッチング(以下エッチングと記す。)により固定
接点層106a,106b,107a,107bを作成
する(図3(b))。
【0016】図5は第1の実施例の可動片108からな
るSi(シリコン単結晶ウエハ)基板側の作成方法を段
階的に示した図である。上記可動片108となるSi基
板109は例えば図6に示すような面方向に作成する。
上記Si基板109を矩形状に製作すると、オリエンテ
ーション・ファゼット(以下OFと記す。)601に対
して平行な602a,602bは、精密な直線が得られ
るもののOF601に対して垂直な辺602c,602
dはギザ状となる。しかし、上記OF601に対して斜
めの面方向に上記Si基板109を製作すると図6に示
す他の4辺603a,603b,603c,603dは
複雑なギザ状の形状となり、精密な形状を要求する上記
Si基板109は得られにくい。
【0017】そこでSi基板109の4辺が602a,
602b,602c,602dとなるように製作して、
まず図5に示すSi基板109のA面及びB面に例えば
熱酸化法によりSiO2(酸化シリコン)110a,1
10bを成膜する(図5(a))。SiO2を形成した
後、上記B面のSiO2110bをエッチングし、周囲
枠を残して除去加工する(図5(b))。このB面にS
iO2110bをマスクとしてSi基板109をKOH
(水酸化カリウム)異方性エッチングにより周囲枠内を
所定量除去加工する(図5(c))。
【0018】次にCr111とAu(金)112を真空
蒸着によりA面の全面に成膜する。この時、CrはSi
2とAuとの密着性を向上させるものでAuより先に
Cuを成膜する。Cr/Au層を例えば王水(塩酸:硝
酸:3:1の容積比)を用いてエッチングして上記可動
片108a,108bとなる部分の端片に可動接点層1
12a,112bを形成する。その後A面の全面にパー
マロイ膜113(ニッケルと鉄の合金)を例えば300
オングストローム程薄く真空蒸着により成膜する(図5
(d))。次に上記A面の全面のパーマロイ膜113に
真空蒸着によりレジスト114を成膜する。
【0019】上記レジスト114を密着露光により上記
電磁式マグネット102a,102bの接触面のふちど
った形で吸着部枠116a,116bを形成する。その
後、上記A面の全面に厚くパーマロイ膜115を例えば
12ミクロン程度均等に真空蒸着により成膜する(図5
(e))。
【0020】尚、このパーマロイ膜113,115は例
えば NiSO4・6H2O(硫酸ニッケル)・・・150g FeSO4・7H2O(硫酸鉄)・・・・・・・10g H3BO4(硼酸) ・・・・・・・20g サッカリン ・・・・・0.75g を混合したものを用いる。
【0021】次に上記A面上のレジスト114で形成さ
れた吸着部枠116a,116bをレジスト117a,
117bで覆い、そして、例えば硝酸,過酸化水素水,
水が2.9:1:7.2のエッチング液によりA面の吸
着部枠外となるパーマロイ膜113,115をエッチン
グして除去する(図5(f))。次にこのA面のレジス
ト114,117a,117bを密着露光によりすべて
除去して、吸着部115a,115bを形成する。そし
てA面のSiO2,110aにコ字が対向した形状にエ
ッチングを行ない、最後に例えば水酸化カリウム溶液に
より所定の量だけエッチングを行なって可動片108
a,108bが枢支部118を介して周囲枠に接続した
形に形成する(図5(g))。上記のように加工された
Si基板側109とセラミック基板側101とはスペー
サ119を介し接着する。
【0022】次に第1の実施例の電磁式リレーの動作に
ついて説明する。電磁式マグネット102aのコイル1
04aに直流電圧を印加すると、この電磁式マグネット
102aに起磁力が生起し、可動片108の前片部10
8aは枢支部118を支点として電磁式マグネット10
2a側へ撓んで変位するため、可動接点層112aが固
定接点層106a,106bに接触し両固定接点層10
6a,106b間が閉成される。
【0023】上記直流電圧の印加を断つと、可動片10
8Aは枢支部118のねじれ復帰力で原状に復帰し、両
固定接点層106a,106b間が開放される。電磁式
マグネット102bのコイル104bに直流電圧を印加
することにより可動片108の後片部108bも上記と
同様の動作を行う。上記電磁式マグネット102a,1
02bに直流電圧を印加・切断した後、わずかに吸着部
115a,115bに残留磁気が残るが、これを取り除
く手段として第2の実施例の電磁式リレーがある。
【0024】図7は第2の実施例の電磁式リレーの要部
断面分解斜視図である。図8は図7のB−B線断面図で
ある。図9は可動片208からなるSi基板側の作成方
法を段階的に示した図である。まずSi基板209のA
面及びB面に熱酸化法によりSiO2(酸化シリコン)
210a,210bを成膜する(図9(a))。SiO
2を形成した後、上記B面のSiO2210bをエッチン
グし、周囲枠を残して除去加工する(図9(b))。こ
のB面にSiO2210bをマスクとしてSi基板20
9をKOH(水酸化カリウム)異方性エッチングにより
周囲枠内を所定量除去加工する(図9(c))。
【0025】次に上記電磁式マグネット102a,10
2bに対向するSi基板209のA面部位に微細なコイ
ル114a,114bを形成する。上記微細なコイルの
加工手段としては、 1)Si基板209のA面の全面にNb(ニオブ)を真
空蒸着により成膜する。 2)Nbを成膜した後、上記電磁式マグネット102
a,102bに対向するSi基板209のA面部位に銅
板214を真空蒸着により付ける。この時NbはSiO
2210aと銅板214密着性を向上させるために用い
る。 3)銅板214を付けた後、この銅板214をエッチン
グにより過巻き上に加工して微細なコイル214a,2
14bを形成する。 微細なコイル214a,214bを形成した後、A面の
全面にポリイミド(樹脂)215を付けSi基板209
に微細なコイル214a,214bを固定する(図9
(b))。上記コイル214a,214bの中心の端片
を同コイルの外へ引き出すためには、 1)上記コイル214a,214bの中心の端片部位の
ポリイミド215をエッチングにより除去する。 2)Si基板りA面の全面にNbを真空蒸着により成膜
する。 3)Si基板209のA面に加工し、固定した微細コイ
ル214a,214bに重ねた形状で2枚の小さな銅板
216a,216bを真空蒸着により付ける。 4)そして上記コイル214a,214bの中心にある
端片を同コイルの外への引き出し線となるように上記銅
板216a,216bをエッチングにより加工して形成
する。 以上のように特殊加工して引き出し線216a,216
bを形成する(図9(e))。引き出し線216a,2
16bを形成した後、A面の全面にポリイミド217を
付けSi基板209に引き出し線216a,216bを
固定する。次にエッチングにより上記ポリイミド217
を上記コイル214a,214b部位のみ残して除去す
る。(図9(f))。次にCr219とAu(金)21
8を真空蒸着によりA面の全面に成膜する。この時、C
rはSiO2とAuとの密着性を向上させるものでAu
より先にCuを成膜する。Cr/Au層を例えば王水
(塩酸:硝酸:3:1の容積比)を用いてエッチングし
て上記可動片208a,208bとなる部分の端片に可
動接点層218a,218bを形成する。
【0026】その後A面の全面にパーマロイ膜220
(ニッケルと鉄の合金)を例えば300オングストロー
ム程薄く真空蒸着により成膜する(図9(g))。
【0027】次に上記A面の全面のパーマロイ膜220
上に真空蒸着によりレジスト221を成膜する。上記レ
ジスト221を密着露光により上記電磁式マグネット1
02a,102bの接触面のふちどった形で吸着部枠2
23a,223bを形成する。その後、上記A面のレジ
スト221を除いて厚くパーマロイ膜222を例えば1
2ミクロン程度均等に真空蒸着により成膜する(図10
(h))。
【0028】尚このパーマロイ膜220,222は例え
ば、 NiSO4・6H2O(硫酸ニッケル)・・・150g FeSO4・7H2O(硫酸鉄)・・・・・・・10g H3BO4(硼酸) ・・・・・・・20g サッカリン ・・・・・0.75g を混合したものを用いる。
【0029】次にこのA面上に形成された吸着部枠22
3a,223bのレジスト221をレジスト224a,
224bで覆い、その後、例えば硝酸、過酸化水素水、
水が2.9:1:7.2のエッチング液によりA面の吸
着部枠外のパーマロイ膜220,222をエッチングし
て除去する(図10(i))。
【0030】次にこのA面のレジスト221,224
a,224bを密着露光によりすべて除去して吸着部2
23a,223bを形成する(図10(j))。そして
A面のSiO2210aにコ字が対向した形状にエッチ
ングを行い、最後に例えば水酸化カリウム溶液により所
定の量だけエッチングを行なって可動片208a,20
8bが枢支部225を介して周囲枠に接続した形に形成
する(図10(k))。上記のように加工されたSi基
板側209はセラミック基板側101とスペーサ119
を介し接着する。
【0031】次に第2の実施例の電磁式リレーの動作に
ついて説明する。電磁式マグネット102aのコイル1
04aに直流電圧を印加すると、この電磁式マグネット
102aに起磁力が生起し、可動片208の前片部20
8aは枢支部225を支点として電磁式マグネット10
2a側へ撓んで変位するため、可動接点層218aが固
定接点層106a,106bに接触し、両固定接点層1
06a,106b間が閉成される。
【0032】上記両固定接点層106a,106b間を
開放するには上記直流電圧の印加を断った後、上記前片
部208aの吸着部223aとなるパーマロイ膜222
aに残った残留磁気を取り除くことが必要である。そこ
で、まず上記直流電圧の印加を断った後上記可動片20
8に埋設したコイル214aに一時的に直流電圧を印加
させて上記吸着部223aの残留磁気を取り除いた。前
片部208aは枢支部225のねじれ復帰力で原状に復
帰し両固定接点層106a,106b間が開放される。
電磁式マグネット102bのコイル104bに直流電圧
を印加することにより、可動片208の後片部208b
も上記と同様の動作を行う。
【0033】図11は第3の実施例の電磁式リレーの要
部断面斜視図である。図12は図11のC−C線断面図
である。図13は図11のセラミック基板の貫通穴に挿
設させた電磁式マグネット302aの拡大断面図であ
る。本実施例では電磁式マグネット302a,302b
に対向するSi基板309上の吸着部315a,315
bに磁石を着設して形成する。その他部位の構造は第1
の実施例の電磁式リレーと同様である。
【0034】次に第3の実施例の電磁式リレーの動作に
ついて説明する。
【0035】図中、U字型の構造の電磁式マグネット3
02aのコイル304aに対してA方向に正極(+:プ
ラス)から負極(−:マイナス)の直流電圧を印加する
と、この電磁式マグネット302aに起磁力が生起し、
可動片308の前片部308aの吸着部N極に対向して
配設された電磁式マグネット302aの端片部はS極と
なり同吸着部S極に対向して配設された同電磁式マグネ
ット302aのもう1つの端片部はN極となって、可動
片308aは枢支部318を支点として向かい合った異
極間の引力によって電磁式マグネット302a側へ撓ん
で変位するため可動接点層312aが固定接点層306
a,306bに接触し、両固定接点層306a,306
b間が開成される。
【0036】上記両固定接点層306a,306b間を
開放するには上記電磁式マグネット302aの304a
に対してB方向に正極(+:プラス)から負極(−:マ
イナス)の直流電圧を印加して、この電磁式マグネット
302aに前記とは逆方向への起磁力を生起し、可動片
308の前片部308aの吸着部N極に対して配設され
た電磁式マグネット302aの端片部はN極となり同吸
着部S極に対向して配設された同電磁式マグネット30
2aのもう1つの端片部はS極となって可動片308a
は枢支部318を支点として向かい合った異極間の反発
力によって電磁式マグネット302aから離れ両固定接
点層306a,306bが開放される。電磁式マグネッ
ト302bのコイル304bに直流電圧をリレーの動作
に合わせ印加することにより可動片308の後片部30
8bも上記と同様の動作を行う。第3の実施例において
は図1に示したセラミック基板101の貫通穴105
a,105bに挿設した電磁式マグネット102a,1
02bに対向させてSi基板309上の吸着部315
a,315bの磁石をN極又はS極の一方の吸着部の構
成も同様の動作が考えられる。
【0037】
【発明の効果】本発明によれば、従来のマイクロリレー
の特徴を生かし、しかも駆動源として起磁力を用いるよ
うにしているため従来に比較して大きな駆動力を得るこ
とができると共に、接点力が大きくなりリレーの安定性
が増すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例の電磁式リレーの分解斜視図であ
る。
【図2】図1のA−A線断面図である。
【図3】セラミック基板側の作成方法を段階的に示した
図である。
【図4】図3のセラミック基板側の貫通穴に挿設させた
電磁式マグネットの拡大断面図である。
【図5】第1の実施例の可動片からなるSi(シリコン
単結晶ウエハ)基板側の作成方法を段階的に示した図で
ある。
【図6】シリコン単結晶ウエハの面方向の説明図であ
る。
【図7】第2の実施例の電磁式リレーの分解斜視図であ
る。
【図8】図7のB−B線断面図である。
【図9】第2の実施例の可動片からなるSi(シリコン
単結晶ウエハ)基板側の作成方法(a〜g)を段階的に
示した図である。
【図10】第2の実施例の可動片からなるSi(シリコ
ン単結晶ウエハ)基板側の作成方法(h〜k)を段階的
に示した図である。
【図11】第3の実施例の電磁式リレーの要部断面斜視
図である。
【図12】図11のC−C線断面図である。
【図13】図11のセラミック基板側の貫通穴に挿設さ
せた電磁式マグネットの拡大断面図である。
【図14】従来のマイクロマシーンの一例を示す静電式
リレーの分解斜視図である。
【図15】図14のA−A線断面図である。
【符号の説明】
101 セラミック基板 102a,102b 電磁式マグネット 103a,103b コア 104a,104b コイル(銅線) 105a,105b 貫通穴 106a,106b 固定接点層 107a,107b 固定接点層 108a,108b 可動片 109 Si基板 110a,110b SiO2(酸化シリコン) 112a,112b 可動接点層 115a,115b 吸着部(磁性体) 118 枢支部 119 スペーサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三宅 知之 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ヤープ株式会社内 (72)発明者 小林 省三 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ヤープ株式会社内 (72)発明者 寺島 重男 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ヤープ株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電気絶縁体の基板に設けた電磁式マグネ
    ットと、上記電磁式マグネットを設けたこの基板主面に
    スペーサ手段を介して対向配設された可動する半導体単
    結晶からなる可動片とで機械要素を構成し、 上記電磁式マグネットに対向する上記可動片の表面に磁
    性体で形成された吸着部と、 上記可動片に絶縁薄膜を介して形成された可動接点層
    と、上記電気絶縁体の基板の主面に形成されて上記可動
    接点層で開閉される固定接点層とを備えたことを特徴と
    する電磁式リレー。
  2. 【請求項2】 上記可動片と上記吸着部との間に微細な
    コイルを埋設してなることを特徴とする請求項1記載の
    電磁式リレー。
  3. 【請求項3】 上記吸着部は、磁石を用いて形成された
    ことを特徴とする請求項1記載の電磁式リレー。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003064315A3 (de) * 2002-01-31 2004-02-05 Hans-Heinrich Gatzen Mikrotechnisch hergestellte schwenkplattform mit magnetischem antrieb und rastpositionen
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