JP2004193134A - スイッチ及びスイッチの組立方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】組立容易な、液体スイッチング素子を使ったスイッチ。
【解決手段】本発明のスイッチ(100)は、該スイッチ内部に形成された主チャネル(120)と少なくとも1つの廃棄チャンバ(210、212)を備えるチャネルプレート(110)と、少なくとも1つの接触パッド(160、162、164)を備える基板(150)と、前記少なくとも1つの接触パッド上に堆積された液体スイッチング素子(180)と、を有する。前記チャネルプレートを前記基板に組み立てた際に、前記液体スイッチング素子の余剰な一部が前記主チャネルから前記少なくとも1つの廃棄チャンバ内に分離される特徴を有する。
【選択図】図1(a)

Description

本発明は、液体スイッチング素子を有するスイッチ及びその組立方法に関する。
液体金属マイクロスイッチ(Liquid Metal Micro−Switch:LIMMS)は、コンパクトなハードウェア(例:数ミクロンレベル)によって信頼性の高いスイッチング能力を提供するべく開発されたものである。サイズが小さいため、LIMMSは、ハイブリッド回路や小さなサイズが望ましいその他のアプリケーションに使用するのに理想的である。LIMMSは、サイズが小さいこと以外にも、従来のスイッチング技術と比べ、例えば、信頼性、機械的疲労の除去、低接触抵抗、及び過熱せずに比較的大きな電力(例:約100mW)をスイッチングする能力などの多数の利点を有している。
一設計によれば、LIMMSは、液体金属を部分的に充填した主チャネルを備えている。液体金属は、導電性スイッチング素子として機能することができる。主チャネルに隣接して設けられた駆動素子が主チャネルに沿って液体金属を移動させ、スイッチング機能を作動させる。
組立の際には、正確に液体金属の容積を計測し主チャネル内に供給しなければならない。液体金属の適切な容積計測及び/又は主チャネル内への供給を正確に行わないと、LIMMSに障害や誤動作が発生することになる。例えば、主チャネル内の液体金属が過多の場合には、短絡が発生するであろう。一方、主チャネル内の液体金属が不足している場合には、スイッチによる良好な接続の実現が妨げられることになる。
LIMMSのサイズがコンパクトなために、正確に液体金属を計測し主チャネル内に供給することが極めて困難である。液体金属を供給するのに使用する機械の公差の変動によってさえ、供給プロセス中に誤差が生じる可能性がある。主チャネル自体の寸法の変動によっても、容積計測の誤差が生じることになるのである。このような公差や誤差をある程度許容できるスイッチの構造や組立方法が本発明の目的である。
本発明の一実施例は、内部に形成された主チャネルと少なくとも1つの廃棄チャンバを備えるチャネルプレートを有するスイッチである。このスイッチは、少なくとも1つの接触パッドを備える基板を有することもできる。少なくとも1つの接触パッド上に、液体スイッチング素子を堆積する。チャネルプレートを基板に組み立てる際に、液体スイッチング素子の一部が主チャネルから少なくとも1つの廃棄チャンバ内に分離される。
本発明の別の実施例はスイッチを組み立てる方法であって、この方法は、基板上に液体スイッチング素子を堆積する段階と、基板に隣接してチャネルプレートを配置する段階と、チャネルプレートを基板に向かって移動させる段階と、液体スイッチング素子の一部をチャネルプレート内の主チャネルからチャネルプレート内の廃棄チャンバ内に分離する段階と、を有している。
更にその他の実施例も開示される。
図1(a)及び図1(b)に関連し、本発明の開示内容に従ってスイッチ100の一実施例を示すと共に説明する。スイッチ100は、主チャネル120、駆動チャンバ130、132、並びに駆動チャンバ130、132を主チャネル120に流体によって接続する副チャネル140、142の一部を定義するチャネルプレート110を有している。このチャネルプレート110を基板150に組み立てるが、この結果、主チャネル120、駆動チャンバ130、132、及び副チャネル140、142が定義される。
一実施例においては、チャネルプレート110はガラスから製造されるが、その他の適切な素材(例:セラミック、プラスチック、複数素材の組み合わせ)も使用可能である。基板150は、セラミック素材で製造可能であるが、その他の適切な素材も使用することができる。
チャネルは、チャネルプレート110内に(例えば、サンドブラストによって)エッチングし、基板150によって蓋をすることにより、主チャネル120、駆動チャンバ130、132、及び副チャネル140、142を定義することができる。チャネルプレート110及び基板150を製造するその他の実施例も本発明の範囲に属するものと考えられる。
無論、主チャネル120、駆動チャンバ130、132、及び/又は副チャネル140、142は、あらゆる適切な方法によって定義可能であることを理解されたい。例えば、主チャネル120、駆動チャンバ130、132、及び/又は副チャネル140、142のすべてをチャネルプレート110又は基板150の内部に形成することも可能である。その他の実施例においては、スイッチに層を付加し、それらの層内に、主チャネル120、駆動チャンバ130、132、及び/又は副チャネル140、142のすべて或いは一部を形成することができる。
又、スイッチ100は、特定の構成に限定されるものではないことを理解されたい。その他の実施例においては、あらゆる適切な数の主チャネル120、駆動チャンバ130、132、及び/又は副チャネル140、142を設け、適宜に相互連結することができる。同様に、主チャネル120、駆動チャンバ130、132、及び/又は副チャネル140、142は、特定の形状に限定されるものではない。一実施例によれば、主チャネル120、駆動チャンバ130、132、及び/又は副チャネル140、142は半楕円形の断面を備えているが、その他の実施例においては、断面は、楕円形、円形、長方形、或いはその他の適切な形状であってよい。
図1(a)及び図1(b)に示す実施例によれば、スイッチ100は、主チャネル120の内部に露出した複数の電極、即ち、接触パッド160、162、164を有することもできる。基板150を貫通してリード170、172、及び174を設けることができ、これらのリードは、スイッチ100の動作の際に、接触パッド160、162、164との間で電流を搬送可能である。
無論、スイッチ100には、本明細書において示され記述されているものを上回る、或いは下回る数を含む、あらゆる数の接触パッドを設けることができる。接触パッドの数は、少なくともある程度は、スイッチ100の使用目的によって左右される。
主チャネル120には、液体スイッチング素子180が部分的に充填されている。一実施例においては、この液体スイッチング素子180は、導電性の流体(例:水銀(Hg))である。従って、液体スイッチング素子180は、接触パッド160、162、或いは接触パッド162、164間の導電性経路として機能することができる。この代わりに、光学スイッチの場合には、不透明な流体を使用することができる(図示されていない)。当業者であれば、本発明の開示内容に習熟した後に容易に理解するように、この不透明な流体は、光路の開閉に使用される。
副チャネル140、142には、少なくとも部分的に駆動流体185を充填可能である。駆動流体185は、不活性ガス又は流体などの非導電性の流体であることが好ましい。この駆動流体185を使用し、液体スイッチング素子180を主チャネル120内で移動させることができる。
駆動チャンバ130、132内には、駆動素子200、202を設けることができる(図2(b))。この駆動素子200、202は、例えば、駆動流体185を加熱して膨張させる熱生成手段(例:薄膜抵抗器)で構成することができる。現在既知の、或いは将来開発されるその他の実施例も本発明の範囲に属するものと考えられる。例えば、駆動素子200、202は、音響手段やポンプ手段などから構成することができる。いずれの場合にも、駆動素子200、202を動作させて駆動流体185(図1(a)及び図1(b)を参照されたい)を主チャネル120内に押しやり、主チャネル120内で液体スイッチング素子180を「分離」させ、移動させることができる。
説明のために、図1(a)には、液体スイッチング素子180が接触パッド162及び164間に導電性経路を形成した第1状態のスイッチ100が示されている。駆動素子202を動作させ、図1(b)に示されているように、スイッチ100の状態を変化させることができる。駆動素子202(図2(b))の動作により、液体スイッチング素子180は、主チャネル120の他端に向かって移動し、接触パッド160及び162間に導電性経路を形成する。同様に、駆動素子200(図2(b))を動作させ、スイッチ100の状態を第1状態に戻すことができる。
本発明の開示内容に習熟した後に当業者に容易に明らかになるスイッチ100に対する適切な変更も本発明の範囲に属するものと考えられる。例えば、本発明は、光学マイクロスイッチに適用することも可能である(図示されていない)。例えば、本願出願人に譲渡された米国特許第6,323,447号明細書(対応日本語文献:特開2000−195386号公報:「電気接点開閉装置、電気接点開閉装置集積体および電気接点開閉方法」(近藤 他))、並びに2002年5月2日付けのマービン・ウォング(Marvin Wong)による「圧電作動型液体金属スイッチ(A Piezoelectrically PActuated Liquid Metal Switch)」という名称の米国特許出願第10/137,691号明細書をも参照されたい(本引用により、それぞれの開示内容のすべてが本明細書に包含される)。
以上のスイッチ100の一実施例に関する説明は、その動作を十分に理解するために提供したものである。本発明は、現在既知の、或いは将来開発され得る様々なその他のタイプ及び構成のスイッチにも適用可能であることを理解されたい。
スイッチ100は、それぞれ図2(a)及び図2(b)の一実施例によってより詳細に示されているように、チャネルプレート110及び基板150を有することができる。尚、図2(a)には、チャネルプレート110を上方から透視したものが示されていることに留意されたい。図2(b)には、チャネルプレート110に隣接する側(例:上方)から見た基板150を示している。更に、図2(b)には、主チャネル120、副チャネル140、142、廃棄チャンバ210、212、及びヒーターチャンバ130、132について、前述のように、これらの機能の少なくとも一部が基板150内に設けられた実施例での存在位置が、それらの輪郭によって描かれている。
チャネルプレート110は、その内部に形成された主チャネル120と廃棄チャンバ210、212を備えている。基板150は、接触パッド160、162、164を備えている。接触パッド160、162、164は、濡れ性素材で構成することができる。接触パッド160、162、164が電気的な接続を実現するべく機能する場合には、接触パッド160、162、164は、金属などの導電性の素材で構成される。
接触パッド160、162、164は互いに離隔している。副チャネル140、142は、接触パッド160、162、164間に設けられた空間内で主チャネル120に開口していることが好ましい。このような配列は、スイッチング動作の際に、液体スイッチング素子180の分離を促進するべく機能する。
液体スイッチング素子180は、図3の一実施例によって示されているように、接触パッド160、162、164上に堆積可能である。この液体スイッチング素子180は、スイッチング機能を実現するのに必要とされる分量を上回るものであることが好ましい。以下に詳述するように、液体スイッチング素子の余剰部分は、チャネルプレート110を基板150に組み立てた際に、主チャネル120から廃棄チャンバ210、212内に排出される。
主チャネル120は、チャネルプレート110上のえん堤、即ち、障壁300、302により、廃棄チャンバ210、212から分離することができる。障壁300、302は、組み立てる際に、液体スイッチング素子180を主チャネル120と廃棄チャンバ210、212内に分離するべく機能する。例えば、以下に説明する図4〜図7の説明図を参照されたい。又、障壁300、302は、組立の後に(例:スイッチ100の動作の際に)、余剰の液体スイッチング素子180を廃棄チャンバ210、212内に分離するようにも機能する。従って、廃棄チャンバ210、212を別個に密封することは不要である、しかし必要に応じて、密閉することも可能である。
チャネルプレート110上に封止ベルト220、222、224を設け、チャネルプレート110への液体スイッチング素子180の濡れを促進することができる。図2(a)には、封止ベルト220、222、224が、主チャネル120及び廃棄チャンバ210、212に対するそれらの位置をより明瞭に示すべく(即ち、チャネルと重なっている)、輪郭で示されている。
封止ベルト220、222、224は、濡れ性素材で構成することが好ましい。適切な素材には、金属や合金など、が含まれる。一実施例においては、封止ベルト220、222、224は、薄膜金属の1つ又は複数の層から構成されている。例えば、封止ベルト220、222、224は、クロミウム(Cr)の薄い層(例:約100nm厚)、白金(Pt)の薄い層(例:約500nm厚)、及び金(Au)の薄い層(例:約100nm厚)から構成することができる。最も外側の金の層は、水銀(Hg)の液体スイッチング素子180と接触すると迅速に溶解し、水銀が白金の層と合金を形成する。この結果、液体スイッチング素子180は、封止ベルト220、222、224を容易に濡らす。
封止ベルトの1つ(例:220)は、障壁の1つ(例:300)を横断し隣接する廃棄チャンバ(例:210)内に延長することが好ましいことに留意されたい。従って、組立の際に、液体スイッチング素子180は障壁300を濡らし、余剰の液体スイッチング素子180が廃棄チャンバ210内に容易に排出される(図4を参照されたい)。
又、封止ベルトの1つ(例:224)は、障壁の1つ(例:302)を横断し隣接する廃棄チャンバ(例:212)内に延長しないことが好ましいことにも留意されたい。液体スイッチング素子180は、封止ベルトがない場合には、障壁302を簡単には濡らせない。従って、組立の際に、主チャネル120内で液体スイッチング素子180の少なくとも一部が接触パッド162の方に押しやられる(図5を参照されたい)。
組立が完了すれば、図7及び図8に示されているように、主チャネル120内には、所望の量の液体スイッチング素子180が残る。この主チャネル120内に残っている液体スイッチング素子180を使用し、前述のように、スイッチ100の状態を変化させることができる。液体スイッチング素子180の余剰部分は、主チャネル120から廃棄チャンバ210、212内に分離されている。
廃棄チャンバ210、212は、障壁300、302によって主チャネル120から分離することが好ましい。又、廃棄チャンバは、密封することも可能である(例:スイッチ100の外周)。例えば、封止310、312(例:日本国の東京に所在する旭硝子株式会社が市販しているCYTOP(登録商標)で構成したもの)をチャネルプレート110及び又は基板150の外周上に設けることができる。従って、余剰の液体スイッチング素子180は、廃棄チャンバ210、212内に残る。この代わりに、必要に応じて、余剰の液体スイッチング素子180を廃棄チャンバ210、212から除去することも可能である。
スイッチ100は、本発明の一実施例に従い、次のように製造することができる。図3に示されているように、液体スイッチング素子180を基板150上に堆積する。一実施例においては、液体スイッチング素子180は、それぞれの接触パッド160、162、164上に堆積される。液体スイッチング素子180は、正確に計測する必要はないが、堆積した適切な容積の液体スイッチング素子180が接触パッド160、162、164上に「膨らみ」を形成するものの、接触パッド160、162、164の側部を越えて基板150上にはみ出さないことが好ましい。
チャネルプレート110を基板150に隣接して配置することができる。液体スイッチング素子180を堆積する前に、チャネルプレート110を基板150に隣接して配置することも可能であるが、本発明は、この順序に限定されるものではない。次いで、チャネルプレート110を基板150の方に移動させることができる。
チャネルプレート110を基板150に向かって移動させると、図4に示すように、接触パッド160、164上の液体スイッチング素子180が、チャネルプレート110上の障壁300、302と接触する。一実施例においては、接触パッド160上の液体スイッチング素子180は、障壁300を横断して主チャネル120から廃棄チャンバ210内に延長する封止ベルト220を濡らす。この結果、余剰の液体スイッチング素子180が廃棄チャンバ210内に排出され、主チャネル120内には押しやられない。
又、この実施例によれば、廃棄チャンバ212内には延長する封止ベルト220が設けられていないため、接触パッド164上の液体スイッチング素子180は障壁302を濡らさない。この代わりに、図4及び図5に示されているように、障壁302が液体スイッチング素子180に向かって移動すると、液体スイッチング素子180の流体静力学的圧力が増大し、液体スイッチング素子180が主チャネル120内に押しやられ、接触パッド162上の液体スイッチング素子180と接触する。尚、液体スイッチング素子180の一部(即ち、余剰部分)はまた廃棄チャンバ212内に排出される。
この組立プロセスは、液体スイッチング素子180の均衡状態を実現するのに十分な時間だけ、基板150に向かうチャネルプレート110の移動を休止又は減速させる段階を有することが好ましい。液体スイッチング素子180の表面張力により、液体スイッチング素子180は、より大きな断面領域を備える領域(即ち、廃棄チャンバ210、212)に向かって流れる。この液体スイッチング素子180の移動は、濡れ性領域(即ち、接触パッド160、164及び封止ベルト220、224)によって促進される。
図6には、廃棄チャンバ210、212と主チャネル120間において均衡状態にある液体スイッチング素子180が示されている。この実施例によれば、接触パッド160上の液体スイッチング素子180は、基板150に対して略垂直に延長し、接触パッド160の端部と封止ベルト220の端部の間に配置される。接触パッド164上の液体スイッチング素子180は、接触パッド162上の液体スイッチング素子180と合体している。液体スイッチング素子180は、接触パッド162、164と封止ベルト222、224を濡らしており、接触パッド162、164と封止ベルト222、224間のチャネルプレート110及び基板150からは「離隔」している。余剰の液体スイッチング素子180は、廃棄チャンバ210、212内に排出或いは、そうでない場合には、除去されている。
次いで、図7に示されているように、基板150に対してチャネルプレート110を密着させることができる。液体スイッチング素子180は、障壁300、302の下方から強制除去され、主チャネル120及び廃棄チャンバ210、212内に押しやられる。障壁300、302の下方から押し出された液体スイッチング素子180の容積は、主チャネル120内の液体スイッチング素子間の空隙に向かって膨らむことになるが(図7に示されている)、スイッチが短絡するほどには主チャネル120内に押しやられることはない。
チャネルプレート110は、あらゆる適切な方法で基板150上に結合させることができる。一実施例においては、接着剤を使用してチャネルプレート110を基板150に結合する。別の実施例においては、ネジやその他の適切な留め具を使用可能である。障壁300、302は、廃棄チャンバ210、212から主チャネル120を分離するべく機能する。
スイッチ100は、前述のように動作することができる。簡潔な説明のために、図7には、第1状態のスイッチ100が示されており、液体スイッチング素子180は、接触パッド162及び164間に導電性経路を形成している。前述のように、駆動素子202(図2(b))を動作させ、スイッチ100の状態を変化させることができる。駆動素子202の動作により、液体スイッチング素子180が主チャネル120の他端に向かって移動し、図8に示されているように、液体スイッチング素子180が接触パッド160及び162間に導電性経路を形成する。駆動素子200(図2(b))を動作させ、スイッチ100の状態を第1状態(図7)に戻すことができる。
本発明の開示内容によるスイッチ100及びその製造方法が、当技術分野における重要な発展を意味することは、容易に明らかである。本発明によれば、計測し主チャネル120内に供給する液体金属の容積変動が許容される。余剰の液体スイッチング素子180は、廃棄チャンバ210、212内に除去される。この結果、本発明によれば、コンパクトなスイッチングデバイス(例:LIMMS)の組立の際に発生する容積計測誤差が矯正される。例えば、本発明によれば、供給ツールの公差に起因する容積計測誤差が矯正される。又、本発明によれば、主チャネル120自体の寸法の変動に起因する容積計測誤差も矯正される。
以上、本発明の好適な実施例について記述したが、これらの実施例には適切な変更を加えることが可能であり、それらの変更も本発明の範囲に属するものである。以下に本発明の実施態様を例示して本発明の実施の参考に供する。
(実施態様1)
スイッチ(100)を組み立てる方法であって、
基板(150)上に液体スイッチング素子(180)を堆積する段階と、
前記基板に隣接してチャネルプレート(110)を配置する段階と、
前記チャネルプレートを前記基板に向かって移動させる段階と、を有し、
前記液体スイッチング素子の一部は、前記チャネルプレート内の主チャネル(120)から前記チャネルプレート内の廃棄チャンバ(210、212)内に分離されることを特徴とするスイッチの組立方法。
(実施態様2)
前記液体スイッチング素子(180)が均衡するように休止する段階を更に有する実施態様1に記載のスイッチの組立方法。
(実施態様3)
前記主チャネル(120)に対して前記廃棄チャンバ(210、212)を密封する段階を更に有する実施態様1に記載のスイッチの組立方法。
(実施態様4)
前記チャネルプレートが前記基板に向かって移動した際に、前記液体スイッチング素子(180)は、前記基板(150)上の接触パッド(160、162、164)と前記チャネルプレート(110)上の封止ベルト(220、222、224)を濡らすことを特徴とする実施態様1に記載のスイッチの組立方法。
(実施態様5)
前記チャネルプレートが前記基板(150)に向かって移動した際に、前記液体スイッチング素子(180)は、前記主チャネル(120)と前記廃棄チャンバ(210、212)間に延長する前記チャネルプレート(110)上の封止ベルト(220、222、224)を濡らすことを特徴とする実施態様1に記載のスイッチの組立方法。
(実施態様6)
スイッチ(100)であって、
内部に形成された主チャネル(120)と少なくとも1つの廃棄チャンバ(210、212)を備えるチャネルプレート(110)と、
少なくとも1つの接触パッド(160、162、164)を備える基板(150)と、
前記少なくとも1つの接触パッド上に堆積された液体スイッチング素子(180)と、を有し、
前記チャネルプレートを前記基板に組み立てた際に、前記液体スイッチング素子の一部が前記主チャネルから前記少なくとも1つの廃棄チャンバ内に分離されることを特徴とするスイッチ(100)。
(実施態様7)
前記チャネルプレート(110)上に少なくとも1つの障壁(300、302)を更に有し、前記少なくとも1つの障壁は、前記液体スイッチング素子(180)を前記少なくとも1つの廃棄チャンバ(210、212)と前記主チャネル(120)間で分離することを特徴とする実施態様6に記載のスイッチ(100)。
(実施態様8)
前記チャネルプレート(110)の前記主チャネル(120)内に少なくとも1つの封止ベルト(220、222、224)を更に有し、前記液体スイッチング素子(180)は、前記少なくとも1つの封止ベルトを濡らすことを特徴とする実施態様6に記載のスイッチ(100)。
(実施態様9)
前記少なくとも1つの封止ベルト(220、222、224)は、前記主チャネル(120)と前記少なくとも1つの廃棄チャンバ(210、212)間に延長することを特徴とする実施態様8に記載のスイッチ(100)。
(実施態様10)
第1封止ベルト(162)が前記主チャネルの内部にすべて配置されており、第2封止ベルト(160)が前記主チャネル(120)と前記少なくとも1つの廃棄チャンバ(210、212)間に延長していることを特徴とする実施態様8に記載のスイッチ(100)。
第1状態におけるスイッチの一実施例を示す部分破断透視図である。 第2状態における図1(a)のスイッチを示す部分破断透視図である。 本発明の一実施例によるスイッチの製造に使用するチャネルプレートの平面図である。 本発明の一実施例によるスイッチの製造に使用する基板の平面図である。 基板上に堆積された液体スイッチング素子が示されている、基板に隣接して配置されたチャネルプレートと基板の主チャネルを縦断する側断面図である。 チャネルプレートを濡らす液体スイッチング素子が示されている、互いに接近したチャネルプレートと基板の主チャネルを縦断する側断面図である。 廃棄チャンバ内に排出された液体スイッチング素子が示されている、互いに更に接近したチャネルプレートと基板の主チャネルを縦断する側断面図である。 均衡状態にある液体スイッチング素子が示されている、チャネルプレートと基板の主チャネルを縦断する側断面図である。 第1状態における、基板に組み立てられたチャネルプレートを示す、主チャネルを縦断する側断面図である。 第2状態における、基板に組み立てられたチャネルプレートを示す、主チャネルを縦断する側断面図である。
符号の説明
100 スイッチ
110 チャネルプレート
120 主チャネル
150 基板
160、162、164 接触パッド
180 液体スイッチング素子
210、212 廃棄チャンバ
220、222、224 封止ベルト
300、302 障壁
310、312 封止

Claims (1)

  1. スイッチを組み立てる方法であって、
    基板上に液体スイッチング素子を堆積する段階と、
    前記基板に隣接してチャネルプレートを配置する段階と、
    前記チャネルプレートを前記基板に向かって移動させる段階と、を有し、
    前記液体スイッチング素子の一部は、前記チャネルプレート内の主チャネルから前記チャネルプレート内の廃棄チャンバ内に分離されることを特徴とするスイッチの組立方法。
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