WO1995017760A1

WO1995017760A1 - Relais a aimant plongeur plan et procede de production dudit relais

Info

Publication number: WO1995017760A1
Application number: PCT/JP1994/002063
Authority: WO
Inventors: Norihiro Asada; Masayoshi Esashi
Original assignee: The Nippon Signal Co., Ltd.
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1994-12-08
Publication date: 1995-06-29
Also published as: EP0685864B1; DE69426694T2; EP0685864A4; TW280922B; JP3465940B2; KR100351271B1; DE69426694D1; JPH07176255A; EP0685864A1; KR960701459A; US5872496A

Description

明糸田 ¾

プレーナー型電磁リレー及びその製造方法

〔技術分野〕

本発明は、半導体素子製造技術を用いて製造するプレーナ一型電磁リレ一及びその製造方法に関する。

〔背景技術〕

半導体デバイスの高集積化に代表されるマイクロエレクトロニクスの発展によって、様々な機器がその高機能化と共に小型化している。産業用ロボットのような比較的大きなエネルギを扱う制御系もその例外ではない。このような制御系では制御装置のマイクロエレクトロニクス化によって、大きなエネルギの制御を非常に小さなェネルギで制御するようになっている。この結果、ノイズ等による誤動作の問題が表面化し、最終段の出力デバイスとして電磁リレーの需要が増大している。

ところが、従来の電磁リレーは半導体と比較すれば桁違いに大きな体積を占有する。従"？て、機器の小型化を推進するためには、電磁リレーの小型化が必要である。

そして、従来の一般的な巻線タイプの電磁リレーでは、長さ 1 4 mm, 幅 9 mm, 高さ 5 m mが世界最小である（「超薄型シグナルリレー」 ' 松下電工技報， No.35， pp27 〜31 (1987年））参照）。また、最近では、更に電磁リレーの小型化を図るため、マイクロマシニング技術を用いたプレーナー型電磁リレーが提案されている

(H. Hosaka, H. Kuvvano and K. Κ. Yanagisawa " ELECTROMAGNETICMICRO RELAYS ： CONCEPS AND FUNDAMENTAL CHARACTERISTICS", Pro IEE E ENS Workshop 93, pp.12 〜 17(1993)参照）。

しかしながら、上記のプレーナ一型電磁リレーも、コイルは従来の巻線型を用いており、小型化には限界がある。

本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、電磁リレ一のより一層の小型化を図ることを目的とする。

〔発明の開示〕

このため、本発明のプレーナー型電磁リレーでは、半導体基板に. 平板状の可動板と該可動板を半導体基板に対して基板上下方向に摇動可能に軸支するトーシヨンバーとを一体形成し、前記可動板の上面周縁部に通電により磁界を発生する平面コイルを敷設すると共に下面側に可動接点部を設ける一方、半導体基板の下面に前記可動板の接点部に対応する位置に固定接点部を設けた絶縁基板を設け、前記ト一ションバーの軸方向と平行な可動板の対辺の平面コィル部に磁界を作用させるよう互いに対をなす磁石を配置する構成とした。

かかる構成によれば、半導体素子製造プロセスを利用して半導体基板に可動部を形成すると共に、可動板に平面コイルを形成するようにしたので、コイル部分を、薄型化及び小型化することができ、従来の巻線型に比べて格段に電磁リレーの小型化を図ることができる。

また、磁石は、半導体基板の上面に上側基板を設け、この上側基板と半導体下面側の絶縁基板に固定するとよい。

また、上側基板と下側絶縁基板で、可動板収納空間を密閉構造として真空封止するようにすれば、可動板の揺動抵抗をなくすことができるようになり、可動板の応答性を高めることができる。

この場合、上側基板の中央部に溝を設けて、可動板収納空間を形成するようにすれば、可動板を揺動させるための可動板収納空間を確保するための半導体基板側の加工工程を省略することができる。

また、上側基板を絶縁基板とするとよい。

また、磁石は永久磁石とするとよい。

また、本発明の電磁リレーでは、半導体基板に、平板状の可動板と該可動板を半導体基板に対して基板上下方向に揺動可能に軸支するト一ションバーとを一体形成し、前記可動板の少なくとも上面周縁部に永久磁石を設けると共に下面側に可動接点部を設ける一方、前記トーションバ一の軸方向と平行な可動板の対辺側方の半導体基板部分に、通電により磁界を発生する平面コイルを設け、半導体基板の下面に前記可動板の接点部に対応する位置に固定接点部を設けた絶縁基板を設ける構成とした。

このように、半導体基板側に平面コイルを形成すれば、通電による平面コイルの発熱の影響を全く考慮する必要がなくなる。

また、永久磁石を、薄膜構造とすれば、可動板の揺動動作に影響がなく、半導体製造技術で永久磁石を一体形成できるので、永久磁石の取付け工程が省略でき電磁リレーの製造が容易となる。

この場合も、前記半導体基板の上面に上側基板を設け、上側基板と半導体基板下面側の絶縁基板により、可動板収納空間を密閉構造として真空封止するようにするとよい。

請求項 1 記載の電磁リレーの製造方法としては、半導体基板のトーションバー形成部分を除いて基板の下面から上面に向けて異方性エッチングより貫通させて前記トーションバ一部分で半導体基板に揺動可能に軸支される可動板を形成する工程と、可動板上面周囲に電解めつきにより平面コィルを形成する工程と、可動板下面側に可動接点部を形成する工程と、下側絶縁基板の上面に前記可動接点に接離可能な固定接点部を形成する工程と、半導体基板の上下面に陽極接合により上側絶縁基板と下側絶縁基板を固定する工程と、ト— ションバー軸方向と平行な可動板の対辺に対応する上側絶縁基板部分と下側絶縁基板部分に磁石を固定する工程とからなることを特徴と" 5 る。

また、請求項 7記載の電磁リレーの製造方法は、半導体基板のト — ションバー形成部分を除いて基板の下面から上面に向けて異方性エッチングより貫通させて前記トーションバ一部分で半導体基板に揺動可能に軸支される可動板を形成する工程と、可動板上面周囲に薄膜の永久磁石を形成する工程と、可動板下面側に可動接点部を形成する工程と、前記トーシヨンバーの軸方向と平行な可動板の対辺側方の半導体基板部分に電解めつきにより平面コイルを形成するェ程と、下側絶縁基板の上面に前記可動接点に接離可能な固定接点部を形成する工程と、半導体基板の上下面に陽極接合により上側絶縁基板と下側絶縁基板とを固定する工程とからなることを特徴とする, また、これら各電磁リレーの製造方法において、平面コイルを形成する工程では、電铸コイル法を用いるとよい。即ち、半導体基板上にスパッタリングでニッゲル層を形成した後、二ッゲル層上に電解めつき又はスパッタリングによって銅層を形成し、次に、平面コィル部分に相当する部分をマスクして銅ェッチング及び二ッケルェッチングを順次行い、次に前記マスクを除去した後にコィルパターン上に銅電解めつきを行うようにする。

かかる方法により平面コイルを形成すれば、薄膜のコイルを低抵抗で高密度に実装することができるようになる。

〔図面の簡単な説明〕

第 1 図は本発明の電磁リレーの第 1 実施例を示す構成図である。第 2図は第 1 実施例の拡大縦断面図である。

第 3図は第 1 実施例の可動板の上面側の拡大斜視図である。

第 4 図は第 1 実施例の可動板の下面側の拡大斜視図である。

第 5図は本発明の電磁リレーの動作原理を説明する図である。

第 6図は第 1 実施例の永久磁石による磁束密度分布の計算モデル図である。

第 7図は計算した磁束密度分布位置を示す図である。

第 8図は第 7図に示す位置の磁束密度分布の計算結果を示す図での。

第 9図は可動板の変位量と電流量との計算結果を示すグラフである。第 1 0図はトーションバ一及び可動板の橈み量の計算モデル図である。

第 1 1図（ a ) 〜（： i ) は、第 1 実施例のシリコン基'板の加工工程の説明図である。

第 12図（ a ) 〜（ g ) は、第 1 実施例のガラス基板の加工工程の説明図である。

第 1 3図は本発明の電磁リレーの第 2実施例の構成を示す斜視図である。

第 1 4図は本発明の電磁リレーの第 3実施例の構成を示す斜視図である。

〔発明を実施するための最良の形態〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第 1 図〜第 4 図に本発明に係るプレーナー型電磁リレーの第 1 実施例の構成を示す。

図において、本実施例の電磁リレー 1 は、半導体基板であるシリコン基板 2の上下面に、それぞれ例えばホウゲイ酸ガラス等からなる上側及び下側絶縁基板としての上側及び下側ガラス基板 3 , .4 を陽極接合した 3層構造となっている。そして、前記上側ガラス基板 3 は、後述する可動板 5上方部分を開放するよう、例えば超音波加ェ等によつて開口部 3 aが設けられている。

前記シリコン基板 2 には、平板状の可動板 5 と、この可動板 5 の中心位置でシリコン基板 2 に対して基板上下方向に揺動可能に可動板 5 を軸支するト一シヨンバー 6， 6 とが異方性エッチングによつて一体形成されている。従って、可動板 5及びトーシヨンバー 6 もシリコン基板と同一材料からなっている。前記可動板 5 の上面周縁部には、第 3図に示すように、通電により磁界を発生する銅薄膜からなる平面コイル 7が絶縁被膜で覆われて設けられている。ここで、コイルは抵抗分によってジユール熱損失があり抵抗の大きな薄膜コィルを高密度に実装すると発熱により駆動力が制限されることから本実施例では、従来公知の電解めつきによる電铸コィル法によつて前記平面コイル 7を形成してある。電铸コイル法は、基板上にスパッ夕で薄い二ッゲル層を形成し、この二ッゲル層の上に電解めつき又はスパッ夕により銅層を形成し、コイルに相当する部分を除いて銅層及びニッケル層を除去し、このコィルバ夕一ン上に銅電解めつきを行って薄膜の平面コイルを形成するもので、薄膜コイルを低抵抗で高密度に実装できる特徴があり、マイク口磁気デバイスの小型化 · 薄型化に有効である。また、可動板 5 の下面側の両側には、第 4 図に示すように、コ字状の電気配線 8， 8が設けられ、これら各電気配線 8 , 8 のそれぞれの端部上面には、例えば金，白金等の可動接点 9 , 9が設けられている。

更に、下側ガラス基板 4 の上面には、電気配線 10， 10が第 4 図の二点鎖線で示すようなパターンで形成されており、この電気配線 10， 10上面の前記可動接点 9， 9 に対応する位置に、同じく金，白金等からなる固定接点 11, 11が第 2図に示すように設けられている。前記電気配線 10, 10は、第 2図に示すように、下側ガラス基板 4 に設けた貫通穴部分を介して下側ガラス基板 4 の下面側に引き出されている。

シリコン基板 2のト一シヨンバー 6， 6 の側方上面には、トーンヨンバー 6 , 6 の部分を介して平面コイル 7 と電気的に接続する一対の電極端子 12， 12が設けられており、この電極端子 12， 12は、シリコン基板 2上に電鎳コィル法により平面コィル 7 と同時形成され

O

上側及び下側ガラス基板 3 , 4 の第 1 図中左右側には、前記トーシヨンバー 6 ， 6 の軸方向と平行な可動板 5 の対辺の平面コイル 7 部分に磁界を作用させる互いに対をなす円形状の永久磁石 13A, 13 B と 14A, 14Bが設けられている。互いに対をなす一方の各 3個づつの永久磁石 13 A , 13 Bは、第 2図に示すように、下側が N極、上側が S極となるよう設けられ、互いに対をなす他方の各 3個づつの永久磁石 14 A , 14 Bは、第 2図に示すように、下側が S極、上側が N極となるよう設けられている。

次に動作を説明する。

例えば、一方の電極端子 12を +極、他方の電極端子 12を一極として平面コイル 7 に電流を流す。可動板 5 の両側では、永久磁石 13 A と 13 B、 14 Aと 14 Bによって、第 2図の矢印で示すように上下の磁石間で可動板 5 の平面に沿って平面コイル 7を横切るような方向に磁界が形成されており、この磁界中の平面コイル 7 に電流が流れると、平面コイル 7の電流密度と磁束密度に応じて平面コイル 7、言い換えれば可動板 5 の両端に、電流 · 磁束密度 · 力のフレミングの左手の法則に従った方向（第 5図に示す）に磁気力 Fが作用し、この力はローレンッカカヽら求められる。

この磁気力 Fは、平面コイル 7 に流れる電流密度を i 、永久磁石 13 A， 13 B と 14 A , 14 Bによる磁束密度を B とすると、下記の（ 1 ) 式で求められる。

F = i X B · · · ( 1 ) 実際には、平面コイル 7 の巻数 n と、磁気力 Fが働くコイル長 w (第 5図中に示す）により異なり、下記の（ 2 ) 式のようになる。

F = n w ( i x B ) ■ · · ( 2 ) 一方、可動板 5が回動することによりト一シヨンバー 6 , 6が捩じられ、これによつて発生するトーシヨンバー 6 , 6 のばね反力 F ' と可動板 5 の変位角 øの関係は、下記の（ 3 ) 式のようになる。 ø = (Mx / G I p)

= ( F ' L /8.5 x 10⁹ r ⁴ ) x 1 , · · · ( 3 ) ここで、 M_\ は捩りモーメント、 Gは横弾性係数、 I p は極断面二次モーメントである。また、 L、 1 I 、は、それぞれ、ト一シヨンバーの中心軸から力点までの距離、トーシヨンバーの長さ、ト — シヨンバーの半径であり、第 5図に示してある。

そして、前記磁気力 Fとばね反力 F ' が釣り合う位置まで可動板 5が回動する。従って、（ 3 ) 式の F ' に（ 2 ) 式の Fを代入することにより、可動板 5の変位角 øは平面コイル 7に流れる電流 i に比例することが判る。

従って、可動板 5下面の可動接点 9， 9力、トーシヨンバー 6のばね力に打ち勝って下側ガラス基板 4上面の固定接点 11, 11に圧接するのに充分な電流を平面コィル 7に流せば、可動板 5の回動で可動接点 9， 9 と固定接点 11, 11を接触させることができる。そして、平面コイル 7に流す電流.の方向の切り換え又は電流を〇 NZO F F することで、接点の切り換え又は電流の通電 Z遮断を制御することができる。

次に、本実施例の電磁リレーにおける永久磁石による磁束密度分布の計算結果について説明する。

第 6図は、本実施例に使用した円柱状の永久磁石の磁束密度分布計算モデルを示し、永久磁石の N極と S極それぞれの表面を微小領域 dyに分割し、求める点の磁束を計算した。

N極表面で形成される磁束密度を Bn 、 S極表面で形成される磁束密度を B s とすると、これらは円柱状の永久磁石による磁束密度分布の計算式から各（ 4 ) 、 ( 5 ) 式によって求めることができ、任意の点における磁束密度 Bは、 B n と B s を合成したものになり、 ( 6 ) 式で示される。 d / 2

B z [(d/2)² — y 2 1 1 / 2

dy

Bn

2 π [(y-yo)² + z²] [(d/2)² + z² + yo^; -2yoy] ^{1 /2}

( 4 )

B r

B s = x

2 π

(z + l)[(d/2)² 1

一 y 2 】 / 2

dy

² [(y- yo)²+ (z+ l)²] [(d/2)² + (z+ l)² +yo² -2yoy] ^{1 /2}

- - - ( 5 )

B二 B n + B s

(、 ,

6

ここで、（ 4 ) 、（ 5 ) の各式において、 B r は永久磁石の残留磁束密度、 x、 y、 zは永久磁石の周りの空間の任意の点を表す座標、 1 は永久磁石の N極面と S極面との距離、 dは各極面の半径でめる。

例えば、半径 1 mm, 高さ 1 mm, 残留磁束密度 0.85Tの S m— C 0永久磁石 D I A N E T DM - 1 8 (商品名、セィコ一電子部品製）を用いて、第 7図に示すように配置した永久磁石の表面に垂直な面 a の磁束密度分布を計算した結果を第 8図に示す。

第 7図のように配置した場合には、磁石間の空間は、略 0.3 T以上の磁束密度となっている。

次に、可動板 5の変位量の計算結果について説明する。

可動板 5 に形成する平面コイル 7 の幅を 1 0 0 z m、巻数を 1 4、可動板 5 の厚さを 2 0 ΙΏとし、トーシヨンバー 6の半径を 2 5 j m , 長さを l mm、可動板 5の幅を 4 mm、長さを 5 mmとして、 ( 2 ) 式と（ 3 ) 式から求めた。尚、磁束密度は、前述の磁束密度分布計算で得られた 0.3 Tを使用した。

その結果、第 9図の（ A) 及び（ B ) から電流 1.5 m Aで 2度の変位角が得られることがわかる。尚、（ C ) は電流と発生する熱量 Qとの関係を示すもので、この時の単位面積当たりの発生熱量は 13 〃ヮット Zcin² となった。

次に、発熱量と放熱の関係について説明する。

発熱量はコイルの抵抗で発生するジュール熱であり、従って、単位時間当たりに発生する熱量 Qは下記の（ 7 ) 式によって表される。

Q = i ² R · ■ · ( 7 ) ここで、 i はコイルに流れる電流、 Rはコイルの抵抗である。

発熱量対流による放熱量 Qc は下記の（ 8 ) 式で表される。

Q c - h S Δ T · · · ( 8 ) ここで、 hは熱伝達係数（空気は 5 X 1 0 ³〜 5 X 1 0 — 2 〔ヮット Zcm² °C) ) 、 Sは素子の表面積、 Δ Τは素子表面と空気との温度差である。

発熱部となる可動板の面積を 2 0隱² ( 4 X 5 ) とすると、（ 8 ) 式は、

Q c = 1.0 Δ T 〔 mワット /。 C〕 · · · ( 8 ) ' となり、数十ヮットノ cm² 程度の発熱量ならば素子の温度上昇の問題は無視できることがわかる。

尚、参考まで、輻射による放熱量 Qr は下記の（ 9 ) 式で表され

O o

Q r = £ S σ T ⁴ · · · ( 9 ) ここで、 ε は輻射率（黒体は ε = 1 で一般に ε く 1 ) 、 Sは素子の表面積、 σはステフアンボルツマン定数（ 7Γ ²k⁴/60h³c²) 、 Tは素子の表面温度である。また、トーションバ一からの伝導による放熱量 Q a は下記の（10) 式で表される。

Qa = 2 A ( S/ 1 , ) Δ Τ · · · (10)

ここで、 λ は熱伝導率（シリコンは 8 4 ワット Zm Κ) 、 Sはト — シヨンバーの断面積、 1 , はトーシヨンバーの長さ、 Δ Τはト一ションバ一の両端の温度差である。トーションバーの半径を 2 5 fi m、長さを l mmとすると（10) 式は、

Qa =0.1 Δ T 〔mワット Z°C〕 · · · (10) '

となる。

次にト一ションバーの可動板自重による撓みと、電磁力による可動板の撓みについて説明する。

第 10図にこれらの計算モデルを示す。トーシヨンバーの長さを 1 ^ ト一シヨンバーの幅を b、可動板の重さを f 、可動板の厚さを t、可動板の幅を W、可動板の長さを L , とすると、トーシヨンバーの橈み量 Δ Υは、片持ち梁の撓み量の計算方法を用いて、下記の（11) 式のようになる。

Δ Y = ( 1 / 2 ) ( 4 1 ,^s f /E b t ³ ) · · · (11) ここで、 Eはシリコンのヤング率である。

また、可動板の重さ： f は下記の（12) 式で表される。 f - W L , t p g · · · (12) ここで、 pは可動板の体積密度、 gは重力加速度である。

また、可動板の撓み量 Δ Χは、同じく片持ち梁の撓み量の計算方法を用いて、下記の（ 13) 式のようになる。 Δ X = 4 ( L ,/2 )³F E W t ³ (13) で、 Fは可動板の端に作用する磁気力である。そして、前記磁気力 Fは（ 2 ) 式のコイル長 wを可動板の長さ Wと見做して求める。

これら、ト―シヨンバーの撓み量と可動板の橈み量の計算結果を表 1 に示す。尚、可動板の橈み量は、磁気力 Fを 3 0 Nとして計算したものである。

1 . ト一ションバーと可動板の撓み量の計算結果

上記の表 1 から明らかなように、幅 5 0 〃 m、長さ 1.0 m mのト — シヨンバーの場合、幅 6 mm、長さ 1 3 mm、厚さ 5 0 〃 ΙΏの可動板による橈み量 Δ Υは、 0.178 mであり、可動板の厚さを倍の 1 0 0 〃 mとしても、撓み量 Δ Υは、 0.356 〃 mである。また、幅 6 m m , 長さ 1 3 mm、厚さ 5 0 mの可動板の場合、磁気力による撓み量 Δ Χは、 0.125 であり、可動板両端の変位量を 2 0 0 m程度とすれば、本実施例の電磁リレーの特性には何ら影響はない。

以上説明したように、本実施例の電磁リレーでは、コイルの発熱による影響も無視でき、また、可動板 5 の揺動特性も何ら問題はな：、従来と同様の機能を発揮することができる。そして、半導体素子の製造プロセスを利用して接点可動部やコイル等を形成することによって、従来に比べて格段に超小型で薄型の電磁リレ一とすることができる。このため、最終段の出力を電磁リレーで制御する制御系システムの小型化を図ることがでぎる。また、半導体素子の製造プロセスで製造することで、大量生産が可能となる。

尚、本実施例では、磁界の形成に永久磁石を用いたが、電磁石を用いてもよい。また、磁石を基板を設けて固定する構成としたが、所定位置に磁石が固定できれば必ずしも基板に固定する必要はない。

次に上記第 1 実施例の電磁リレーの製造工程を、第 11図及び第 12 図を参照しながら説明する。

まず、第 11図（ a ) 〜（ j ) にシリコン基板の加工工程を示す。厚さ 300 のシリコン基板 101 の上下面を熱酸化して酸化膜（ 1 m) 102 を形成する（（ a ) 図参照））。

次に、表裏両面にホトリソグラフにより貫通穴のパタ一ンを形成し、貫通穴部分の酸化膜をエッチング除去し（（ b ) 図参照）、更に、可動板形成部の裏面側（図中で上側）の酸化膜を厚さ 0.5 urn まで除去する（（ c ) 図参照）。

次に、表面側（図中で下側）にワックス層 103 を設けた後、裏面側の貫通穴部分に異方性エッチングを 100 m行い（（ d ) 図参照）裏面側の可動板部分の薄い酸化膜を除去し（（ e ) 図参照）、貫通穴と可動板部分に異方性ェッチングを 100 m行う（（ f ) 図参照）次に、貫通穴部分で囲まれた可動板裏面に相当するシリコン基板部分に、電気配線部分を残してマスクし、例えばニッケル或いは銅のスパッタを行ってコ字状の電気配線 8 , 8 を形成し、更に、可動接点部分を除いてマスクし、金或いは白金の層を例えば蒸着等によつて形成し可動接点 9 , 9 を形成する（（ g ) 図参照）。

次に、表面側のワックス層 103 を除去し、表面側の酸化膜 102 上に、従来公知の電踌コイル法によって平面コイル 7、電極端子部（図示せず）を形成する。電铸コイル法は、シリコン基板 101 の表面側酸化膜 102 上にニッケルのスパッ夕を行ってニッケル層を形成し. 電解めつき又はスパッ夕により銅層を形成する。次にポジ型のレジストで平面コイル及び電極端子に相当する部分をマスクし、銅エツチング、ニッケルエツチングを順次行い、エツチング後、レジストを除去し、更に、銅電解めつきを行ってニッケル層の全周を銅で覆い平面コイル及び電極端子に相当する銅層を形成する。次に、銅層を除いた部分にネガ型のメツキレジストを塗布した後、銅電解めつきを行って銅層を厚くして、平面コイル及び電極端子を形成する。そして、平面コイル部分を例えば感光性ポリイミド等の絶縁層で覆う。平面コイルを 2層にする場合は、再度ニッケルのスパッ夕工程から絶縁層形成までの工程を繰り返し行えばよい（（ h ) 図参照） _c 次に、表面側にワックス層 103 ' を設け、可動板裏面部分をマスクした後、貫通穴部分に異方性エッチングを 100 / m行い、貫通穴部分を貫通させ、可動板部分を除いてワックス層 103 ' を除去する c この際に、上下の酸化膜 102 も除去する。これにより、可動板 5 とトーションバ一（図示せず）が形成され、第 1 図のシリコン基板 2 が形成される（（ i ) , ( Γ) 図参照）。

以上で、シリコン基板 2の可動板 5及びトーションバーが一体に形成される。

その後、可動板部分のワックス層を除去した後、シリコン基板 2 の上下面に上側ガラス基板 3 と下側ガラス基板 4 をそれぞれ陽極接合によって結合し、上下のガラス基板 3， 4 の所定位置に永久磁石 13A , 13B と HA, 14Bを取付ければよい。

次に、第 12図（ a ) 〜（ g ) を参照しながら上下ガラス基板の加ェ工程を説明する。

まず、上側ガラス基板 3 は、例えば超音波加工により可動板上方部分に相当する位置に穴を開け、開口部 3 aを形成すればよい（（ a ) 図参照）。一方、下側ガラス基板 4では、まず、電解放電加工によってスルーホール用の貫通穴 4 a , 4 aをガラス基板 4 の裏面側（図中上側）から形成する（（ b ) 図参照）。そして、下側ガラス基板 4 の両面に、例えば、ニッケル或いは銅のスパッ夕を行い、金属層 104 を形成する（（ c ) 図参照）。

次に、貫通穴 4 a を含む電気配線部分をマスクし、その他の部分をエッチングして金属層 104 を除去することで、電気配線 10, 10を形成する（（ d ) 図参照）。

次に、ガラス基板 4 の表面側（図中下側）にリフトオフ用に、ホトリソグラフにより固定接点のパターンを形成して固定接点部を除いてレジスト 105 を塗布し（（ e ) 図参照）、ガラス基板 4表面側の全面に金或いは白金の蒸着により蒸着層 106 を形成し（（ f ) 図参照）、更に、レジストを除去することで、固定接点部を除く他の部分の蒸着層 106 を除去し、固定接点 11， 11を形成する ( ( g ) 図参照）。

第 13図に、本発明の電磁リレーの第 2実施例を示す。尚、第 1 実施例と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

図において、本実施例の電磁リレー 21は、シリコン基板 2及び下側ガラス基板 4 の構成は第 1 実施例と同様であるが、上側ガラス基板 3 ' の構成が異なる。即ち、上側ガラス基板 3 ' は、第 1 実施例の上側ガラス基板 3の開口部 3 a に相当する部分を、放電加工等によって溝 3 A ' として閉塞する構成としてある。

そして、シリコン基板 2の上下面に、上側ガラス基板 3 ' と下側ガラス基板 4 を、第 13図中の矢印で示す如く、シリコン基板 2の上下面に陽極接合によって結合して、可動板 5 の揺動空間を密閉する構成としている。更に、この密閉空間を真空雰囲気にして電磁リレ一 21を駆動させる。尚、永久磁石に代えて電磁石を用いてもよい。かかる構成によれば、可動板 5 の揺動空間を真空雰囲気とすることで、可動板 5が回動する際の空気抵抗がなくなるため、可動板の応答性を向上できる。そして、シリコン基板 2 に上下のガラス基板 3 ' , 4 を結合する際に、接着剤を用いるとガスが可動板の揺動空間に侵入する虞れがあるが、本実施例のように陽極接合を用いればその心配はない。また、可動板 5 の揺動空間を真空封止する際に空間内に硫化フッ素（ S F _e ) を封入することで、絶縁耐圧が向上

9 -S o

次に、第 1 4図に本発明に係る電磁リレーの第 3実施例を示し説明する。尚、上記の各実施例と同一要素には同一符号を付して説明を省略す '3

第 1 4図において、本実施例の電磁リレー 31では、可動板 5側に、平面コイルに代えて薄膜の永久磁石 32を設ける。一方、シリコン基板 2のトーシヨンバー 6， 6 の軸方向と平行な可動板 5 の対辺側方の部分に、通電により磁界を発生する平面コイル 7 A , 7 Bを設ける。また、上側ガラス基板 3 ' は、第 1 3図に示すものと同様で溝 3 A ' を有し閉塞された構成である。

かかる構成のように、永久磁石 32を可動板 5側に設け、平面コィル 7 A , 7 Bをシリコン基板 2側に設けるようにしても、上述の各実施例と同様に動作させることができる。また、可動板 5側にコィルを設けていないので、発熱に関する問題は生じない。更に、可動板側に薄膜の磁石を用いているため、可動板の動作が鈍くなると言うことはなく応答性を向上できる。更に加えて薄膜永久磁石を半導体素子製造技術で一体形成するので、より一層小型化できると共に磁石の設置工程が容易となり、電磁リレーの製造が容易となる利点がある。そして、可動板 5 の揺動空間を真空封止するので、第 13図に示す実施例と同様で可動板 5 の応答性が良好となる。

尚、本実施例では、可動板の周囲に永久磁石を形成する構成としたが、可動板の全面に形成するようにしてもよい。以上説明したように本発明によれば、コィルを従来の巻線型ではなく半導体素子製造技術を用いて形成する構成としたので、従来の巻線型コイルを用いる電磁リレーに比較して格段に小型化及び薄型化することができる。従って、電磁リレーを使用する制御系のシステムの集積化及び小型化を図ることができる。また、可動板の揺動空間を密閉空間として真空封止する構成とすれば、空気抵抗をなくすことができ、可動板の応答性を向上でき、リレー応答性を高めることができる。

〔産業上の利用可能性〕

本発明は、電磁リレーの薄型化及び小型化を図ることができ、電磁リレーにより最終段の出力を制御する制御システムの小型化を図ることができ、産業上利用性は大である。

Claims

請求の範囲

( 1 ) 半導体基板に、平板状の可動板と該可動板を半導体基板に対して基板上下方向に揺動可能に軸支するト一シヨンバーとを一体形成し、前記可動板の上面周縁部に通電により磁界を発生する平面コィルを敷設すると共に下面側に可動接点部を設ける一方、半導体基板の下面に前記可動板の接点部に対応する位置に固定接点部を設けた絶縁基板を設け、前記ト一シヨンバーの軸方向と平行な可動板の対辺の平面コイル部に磁界を作用させるよう互いに対をなす磁石を配置する構成としたことを特徴とするプレーナー型電磁リレー。

( 2 ) 前記磁石は、前記半導体基板の上面に上側基板を設け、この上側基板と半導体下面の前記絶縁基板に固定する構成である請求項 1 記載のプレーナー型電磁リレー。

( 3 ) 前記上側基板と絶縁基板は、可動板収納空間を閉塞し、この可動板収納空間を真空状態とする構成とした請求項 2記載のプレーナー型電磁リレー。

( ) 前記上側基板は、.可動板上方に相当する中央部に溝を有して前記可動板収納空間を形成する構成である請求項 3記載のプレーナ一型電磁リレー。

( 5 ；) 前記上側基板が、絶縁基板である請求項 2記載のプレーナ一型電磁リレー。

( 6；) 前記磁石が、永久磁石である請求項 1 記載のプレーナ一型電磁リレー。

( 7 ) 半導体基板に、平板状の可動板と該可動板を半導体基板に対して基板上下方向に揺動可能に軸支するトーシヨンバーとを一体形成し、前記可動板の少なくとも上面周縁部に永久磁石を設けると共に下面側に可動接点部を設ける一方、前記トーションバーの軸方向と平行な可動板の対辺側方の半導体基板部分に、通電により磁界を発生する平面コイルを設け、半導体基板の下面に前記可動板の可動接点部に対応する位置に固定接点部を設けた絶縁基板を設ける構成としたことを特徴とするプレーナ一型電磁リレー。

( 8 ) 前記半導体基板の上面に上側基板を設け、該上側基板と半導体下面の前記絶縁基板とで、可動板収納空間を閉塞し、この可動板収納空間を真空状態とする構成とした請求項 7記載のプレーナー型電磁リレー。

( 9 ) 前記上側基板は、可動板上方に相当する中央部に溝を有して前記可動板収納空間を形成する構成である請求項 8記載のプレーナ —型電磁リレー。

( 10) 前記上側基板が、絶縁基板である請求項 8記載のプレーナ一型電磁リレ一。

( 1 1 ) 前記永久磁石は、可動板上面全面に形成される請求項 7記載のプレーナー型電磁リレー。

( 12) .前記永久磁石が、薄膜構造である請求項 7記載のプレーナ一型電磁リレ一。

( 13) 半導体基板のトーションバー形成部分を除いて基板の下面から上面に向けて異方性ェツチングより貫通させて前記ト一シヨンバ一部分で半導体基板に揺動可能に軸支される可動板を形成する工程と、可動板上面周困に電解めつきにより平面コイルを形成する工程と、可動板下面側に可動接点部を形成する工程と、絶縁基板の上面に前記可動接点に接離可能な固定接点部を形成する工程と、半導体基板の上下面に陽極接合により上側絶縁基板と下側絶縁基板を固定する工程と.、卜一シヨンバー軸方向と平行な可動板の対辺に対応する上側絶縁基板部分と下側絶縁基板部分に磁石を固定する工程とからなるプレーナ一型電磁リレーの製造方法。

( 14) 前記平面コイルを形成する工程は、半導体基板上にスパッ夕リングでニッケル層を形成した後、ニッケル層上に銅電解めつきによって銅層を形成し、次に、平面コイル部分に相当する部分をマスクして銅ェッチング及び二ッケルェッチングを順次行い、次に前記マスクを除去した後にコイルパターン上に銅電解めつきを行うようにした請求項 1 3記載のプレーナー型電磁リレーの製造方法。

( 1 5 ) ニッケル層上に銅層を形成する際に、銅電解めつきに代えてスパッ夕リングを用いる請求項 1 4記載のプレーナ一型電磁リレーの製造方法。

( 1 6 ) 半導体基板のトーションバー形成部分を除いて基板の下面から上面に向けて異方性ェツチングより貫通させて前記ト一ションバ一部分で半導体基板に揺動可能に軸支される可動板を形成する工程と、可動板上面に薄膜の永久磁石を形成する工程と、可動板下面側に可動接点部を形成する工程と、前記トーシヨンバーの軸方向と平行な可動板の対辺側方の半導体基板部分に電解めつきにより平面コィルを形成する工程と、下側絶縁基板の上面に前記可動接点に接離可能な固定接点部を形成する工程と、半導体基板の上下面に陽極接合により上側絶縁基板と下側絶縁基板を固定する工程とからなるプレーナ一型電磁リレーの製造方法。

( 1 7；前記平面コイルを形成する工程は、半導体基板上にスパッ夕リングでニッケル層を形成した後、ニッケル層上に銅電解めつきによって銅層を形成し、次に、平面コイル部分に相当する部分をマスクして銅ェッチング及び二ッケルェッチングを順次行い、次に前記マスクを除去した後にコイルパターン上に銅電解めつきを行うようにした請求項 1 6記載のプレーナー型電磁リレーの製造方法。

( 1 8 ) ニッケル層上に銅層を形成する際に、銅電解めつきに代えてスパッ夕リングを用いる請求項 1 7記載のプレーナ一型電磁リレーの製造方法。