JP2004234963A - Switching element and switching circuit using the same - Google Patents

Switching element and switching circuit using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a switching element with a new construction, and a switching circuit using the same. <P>SOLUTION: The switching element comprises a first electrode 10, a second electrode 21 and a third electrode 22, a structural body 20 having an insulation body 23 insulating the second electrode 21 from the third electrode 22, facing the first electrode 10, electrophoretic media 40 arranged between the first electrode and the structural body 20, and numerous conductive electrophoretic particles 50 included in the electrophoretic media having electric charge, which move electrophoretically in compliance with an electric field and precipitate in a state in which the electric field is not charged. When the voltage impressed between the first electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22 is less than a threshold voltage, the electrophoretic particles 50 precipitate in the electrophoretic media 40 and deposit on the structural body 20 by gravity, and the second electrode 21 is electrically connected with the third electrode 22. On the other hand, when the voltage exceeds the threshold voltage, the electrophoretic particles 50 move up toward a first electrode side by the electrophoresis and the second electrode 21 is electrically insulated from the third electrode 22. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路の導通/遮断を切り替えるスイッチング素子及びこれを用いたスイッチング回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、バリスタ、ヒューズ、ツェナーダイオード等、回路の導通/遮断をスイッチング可能なスイッチング素子が知られている。例えば、バリスタは、粒界における電子のトンネル効果によってスイッチング動作を行う。また、ヒューズは、ジュール熱によってワイヤーが切れることによってスイッチング動作を行う。また、ツェナーダイオードは、PN接合における電子のトンネル現象であるツェナー効果によりスイッチング動作を行う。
【0003】
そして、これらのスイッチング素子を利用することにより、例えば、過電圧が供給された場合に電子機器を保護することができる。例えば、バリスタやツェナーダイオードを保護対象となる電子機器と並列に接続することにより、電子機器に過電圧が印加された場合に、電流がバイパスされて電子機器が保護される。また、ヒューズを電子機器と直列に接続することにより、電子機器に過電圧が印加された場合に、当該電子機器への回路が遮断されて電子機器が保護される。
【特許文献1】
特開昭46−7371号公報
【特許文献2】
特開昭50−350号公報
【特許文献3】
特開平5−6806号公報
【特許文献4】
特開平5−227738号公報
【特許文献5】
特開平8−204127号公報
【特許文献6】
特開平11−103145号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、さらなる低コスト化、高性能化を可能とすべく、従来とは異なる構成のスイッチング素子の開発が望まれている。
【0005】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、新規な構成のスイッチング素子及びこれを用いたスイッチング回路を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスイッチング素子は、第一電極と、第二電極、第三電極及び上記第二電極と上記第三電極とを電気的に絶縁する絶縁体を有し上記第二電極、上記第三電極及び上記絶縁体が各々上記第一電極と対面する構造体と、上記第一電極と上記構造体との間に介在する電気的に絶縁性の泳動媒体と、上記泳動媒体内に存在し、帯電を呈して電界に応じて電気泳動すると共に、電気を導電可能であり、さらに、電界が印加されない場合に上記泳動媒体内を浮上又は沈降する、多数の泳動粒子と、を備える。
【0007】
本発明に係るスイッチング素子によれば、電界が印加されない場合に泳動粒子が泳動媒体中を沈降し、第一電極が構造体の上方に位置するようにスイッチング素子が配置された場合に、以下のような動作が可能となる。すなわち、第一電極と、第二電極や第三電極との間の電圧の大きさが所定の閾値未満であり、第一電極と第二電極や第三電極との間の電界によって泳動粒子が重力に反して上方に泳動されない場合には、泳動粒子が重力によって泳動媒体内を沈降して構造体上に上記第二電極から上記絶縁体を通って上記第三電極まで敷き詰められ、第二電極と第三電極との間がこの泳動粒子の群によって電気的に導通される。一方、第一電極と、第二電極や第三電極との間に印加される電圧の大きさが所定の閾値を超え、第一電極と第二電極や第三電極との間の電界によって泳動粒子が重力に反して上方に電気泳動されるようになると、泳動粒子が第二構造体から第一電極側に移動し、泳動粒子と第二電極や第三電極とが接触しなくなり第二電極と第三電極との間が電気的に絶縁される。
【0008】
また、電界が印加されない場合に泳動粒子が泳動媒体中を浮上し、第一電極が構造体の下方に位置するようにスイッチング素子が配置された場合に、以下のような動作が可能となる。すなわち、第一電極と、第二電極や第三電極との間の電圧の大きさが所定の閾値未満であり、第一電極と第二電極や第三電極との間の電界によって泳動粒子が重力に反して下方に泳動されない場合には、泳動粒子が重力によって泳動媒体内を浮上して構造体の下面に上記第二電極から上記絶縁体を通って上記第三電極まで敷き詰められ、第二電極と第三電極との間がこの泳動粒子の群によって電気的に導通される。一方、第一電極と、第二電極や第三電極との間に印加される電圧の大きさが所定の閾値を超え、第一電極と第二電極や第三電極との間の電界によって、泳動粒子が重力に反して静電気力により下方に泳動されるようになると、泳動粒子が第二構造体側から第一電極側に移動し、泳動粒子と第二電極や第三電極とが接触しなくなり第二電極と第三電極との間が電気的に絶縁される。
【0009】
このため、第一電極と、第二電極や第三電極との間の電圧に応じて、第二電極と第三電極との間の導通/遮断を繰り返し切替可能な新規な構成のスイッチング素子が実現される。
【0010】
ここで、構造体で上記第一電極に対面する部分は、平面とされていることが好ましい。
【0011】
これによれば、泳動粒子が均一に敷き詰められやすくなるので、電圧による導通/遮断の切替が確実に行える。
【0012】
また、上記第一電極と上記構造体との間に挟まれ、上記第一電極と上記構造体との間に所定の閉空間を画成する絶縁性のスペーサを備え、上記泳動媒体及び上記泳動粒子は上記閉空間内に導入されたことが好ましい。
【0013】
これによれば、好適な構造のスイッチング素子が実現され、製造も容易となる。
【0014】
また、上記泳動粒子は、非イオン系の表面処理剤によって表面処理されていることが好ましい。
【0015】
これによれば、泳動粒子が泳動媒体内で凝集しにくくされ、スイッチングがより確実に行われるようになる。
【0016】
また、上記泳動粒子は、その比抵抗が10Ω・cm以下であることが好ましい。
【0017】
これによれば、第二電極と第三電極とを導通する場合の抵抗が低くなって、発熱が抑制される。
【0018】
また、上記泳動粒子は、その比表面積が10〜100m/gであることが好ましい。
【0019】
これによれば、泳動粒子の電気泳動が好適に行われる。
【0020】
また、上記泳動媒体は、40℃での動粘度が1×10−6〜100×10−6/sであることが好ましい。
【0021】
これによれば、泳動粒子が好適に泳動されると共に、繰り返し性能が高くされる。
【0022】
また、上記泳動媒体は、5℃での密度が0.7〜2.0g/cmであることが好ましい。
【0023】
これによれば、泳動が好適に行われるとともに、重力による沈降や浮上も好適に行われ、繰り返し性能も高くされる。
【0024】
また、上記泳動粒子の重量をAとし、上記泳動媒体の重量をBとしたときに、A/Bが0.01〜0.05であることが好ましい。
【0025】
これによれば、電圧が所定の閾値未満の場合に第二電極と第三電極との間が泳動粒子によって好適に導通されると共に、電圧が所定の閾値を超えた場合に泳動媒体中を泳動粒子が好適に泳動する。
【0026】
本発明に係るスイッチング回路は、第一出力端と第二出力端との間に所定の直流電圧を発生する直流電源に接続される回路であって、上記のスイッチング素子と、上記直流電源の第一出力端と、上記スイッチング素子の第二電極又は第三電極の何れか一方との間に接続された負荷とを備え、上記スイッチング素子の第一電極は上記直流電源の第一出力端に接続され、上記スイッチング素子の第二電極又は第三電極の何れか他方は上記直流電源の第二出力端に接続された回路である。
【0027】
本発明によるスイッチング回路によれば、上述のスイッチング素子を用いていることにより、以下の作用が得られる。すなわち、スイッチング素子がスイッチングする閾値電圧の大きさより小さい直流電圧が第一電極と、第二電極や第三電極と、の間に印加されている場合には、第二電極と第三電極との導通が確保されて、負荷に所定の電圧が印加される。一方、閾値電圧を超える大きさの電圧が第一電極と、第二電極や第三電極と、の間に印加される場合には、泳動粒子が上方または下方に泳動して第二電極と第三電極との間が絶縁され、負荷に対して閾値電圧を超える電圧が負荷に印加されることが妨げられる。これにより、負荷への過電圧保護回路が好適に提供される。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るスイッチング素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【0029】
図1は、本発明の実施形態に係るスイッチング素子の一部破断斜視図、図2は、本発明の実施形態に係るスイッチング素子の垂直断面図である。本実施形態に係るスイッチング素子100は、主として、第一電極10と、構造体20と、第一電極10と構造体20との間に介在されたスペーサ30と、第一電極10及び構造体20及びスペーサ30とによって画成される空間35内に封入された泳動媒体40及び泳動粒子50とを備えている。
【0030】
第一電極10は導体によって形成された矩形板であり、水平配置されている。
また、構造体20は、第一電極10の下方に所定の間隔離間されて第一電極10と対向し、第一電極10と同様の矩形板状を呈している。
【0031】
この構造体20は、電気絶縁材料から形成された絶縁体23を有している。また、構造体20は、導体によって形成され、絶縁体23を水平方向に両側から挟む一対の第二電極21及び第三電極22を有している。第二電極21と第三電極22とは絶縁体23によって互いに電気的に絶縁されている。また、構造体20の上面における第二電極21から第三電極22を通って絶縁体23にわたる部分は、水平面とされ、第一電極10の下面と各々対面している。
【0032】
そして、第二電極21、第三電極22及び絶縁体23は、これらを下面側から接合する接合部材24によって互いに接続され一体化されている。
【0033】
第一電極10、第二電極21及び第三電極22の材質は導体であれば特に限定されず、アルミ、銅、ニッケルなどの金属、あるいは、ガラスやプラスチックに導電体被膜をコーティングしたもの等を利用できる。
【0034】
スペーサ30は、絶縁材料からなって矩形の水平枠状を成し、上面側に絶縁性の接着剤層31を有すると共に、下面側に絶縁性の接着剤層32を有し、第一電極10と構造体20との間に上下に挟まれて固定されている。そして、第一電極10の下面と、構造体20の第二電極21、第三電極22及び絶縁体23の上面と、スペーサ30及び接着剤層31及び接着剤層32の内周面とによって、所定の空間(閉空間)35が画成されている。
【0035】
そして、空間35内には、泳動媒体40及び多数の泳動粒子50が封入されている。泳動媒体40は、絶縁性を示す流体である。この泳動媒体40は、泳動粒子50を分散させて泳動媒体40中の泳動粒子50の電気泳動や沈降を可能とする。この泳動媒体40としては、化学的に安定で、電気絶縁破壊強度が高く、泳動粒子50を安定に分散できるものであることが好ましい。また、泳動媒体40は、イオンを含まず、また、電界が印加されてもイオンを生じないことが好ましい。例えば、流動パラフィン、シリコーンオイル、各種炭化水素、各種芳香族炭化水素、有機塩化物等を例示できる。
【0036】
さらに、泳動媒体40は、40℃における動粘度が1×10−6〜100×10−6/s(1〜100cSt)であることが好ましい。動粘度がこの範囲を外れると、泳動粒子50が泳動しにくくなったり、後述する繰り返し性能が低下しやすくなったりする傾向がある。
【0037】
また、泳動媒体40は、25℃における密度が0.7〜2.0g/cmであることが好ましい。泳動媒体40の密度がこの範囲を外れると、泳動が起こりにくくなったり、沈降が起こりにくくなったりする傾向があり、繰り返し性能が低下しやすくなる傾向がある。
【0038】
一方、空間35内の泳動媒体40内に入れられた泳動粒子50は、泳動媒体40中で帯電を呈する、すなわち、正又は負の正味の電荷を帯びるものであり、空間35内の電界に応じて泳動媒体40中を電気泳動可能となっている。
【0039】
泳動粒子50の帯電様式は様々考えられ、例えば、泳動粒子50全体が帯電していてもよく、泳動粒子50が核と被覆層とを有する多重構造を有する場合には、核が帯電していても、被覆層が帯電していてもよく、さらに、泳動媒体40が表面改質されている場合には表面改質物質によって界面が帯電していても良い。
【0040】
また、泳動粒子50の密度は泳動媒体40よりも高く、空間内に電界が印可されない場合に、泳動粒子50は重力によって沈降する。さらに、泳動粒子50は、少なくともその表面に半導体又は導体を有して電気を導電することができる。
【0041】
加えて、泳動粒子50の量は構造体20の上面で第二電極21の表面から絶縁体23の表面を通って第三電極22の表面までに亘って敷き詰めることができる程度である。そして、構造体20の上面に第二電極21から絶縁体23を通って第三電極22に亘って泳動粒子50が敷き詰められた場合には、泳動粒子50同士の接触や一部の泳動粒子50と第二電極21あるいは第三電極22との接触等により、第二電極21から第三電極までの電気の導通路を形成し、電気の導通が可能となる。
【0042】
ここで、泳動粒子50は、比抵抗が小さいことが好ましく、具体的には、比抵抗が10Ωcm以下であることが好ましい。泳動粒子50の比抵抗が10Ωcmを超えると泳動粒子50により形成する電気導通路の抵抗が高くなって発熱量が高くなる傾向がある。
【0043】
さらに、泳動粒子50は、粒子径が小さいことが好ましい。具体的には、泳動粒子50の比表面積が10〜100m/gであることが好ましい。泳動粒子50の比表面積がこの範囲から外れると、電気泳動が起こりにくくなると共に、泳動速度が低くなる傾向がある。さらに、泳動粒子50は、粒度範囲が狭いことが好ましい。
【0044】
また、この泳動粒子50は、非イオン系の表面処理剤により表面処理されていることが好ましい。表面処理が成されると、泳動媒体40中での泳動粒子50同士の凝集が起こりにくくなると共に、第一電極10や構造体20等への付着等も起こりにくくなる。これによって、繰り返し性能が高くなり、応答が速くなる。
ここで、泳動溶媒40がフッ素溶媒以外の場合は、非イオン系の界面活性剤や、非イオン系かつエーテル系の表面処理剤等を用いることが好適である。一方、泳動溶媒40がフッ素系溶媒の場合は、非イオン系のフッ素処理剤を用いることが好適である。フッ素系溶媒において、非イオン系のフッ素処理剤以外で表面処理がなされた泳動粒子を用いると、泳動溶媒内で処理剤が泳動粒子から分離する傾向がある。
【0045】
このような泳動粒子50の例を具体的に挙げれば、例えば、半導体が好適に利用できる。具体的には、Si、Ge等の表面にドナーやアクセプターをドーピングして半導体化させたものがある。また、酸化物半導体として、例えば、TiO、SnO、ZnO、Fe、BaTiO、SrTiO等を還元したもの、あるいは、これらの粒子の表面にドナーやアクセプターをドーピングして半導体化させたものが挙げられる。また、TiN、TaN、NbN等の窒化物や、SiC、TiC、WC、TaC等の炭化物等や、カーボン等も利用できる。
【0046】
また、泳動粒子50として金属を利用することもでき、例えば、Au、Pt、Ag等の貴金属、Ni、Cu等の卑金属、貴金属と卑金属との合金等や、これらを半導体や導電性ポリマー等でコーティングしたものを利用できる。
【0047】
空間35内に存在する泳動媒体40と泳動粒子50との比は、泳動粒子50の重量をAとし泳動媒体40の重量をBとしたときに、A/Bが0.01〜0.05となることが好ましい。A/Bが0.01未満では、泳動粒子50が少ないために、泳動粒子50が構造体20上に敷き詰められても第二電極21と第三電極22との間での電気的な導通が確立しにくくなる傾向がある。一方、A/Bが0.05以上となる場合には、空間35内における泳動粒子の存在割合が高くなるため、泳動粒子の電気泳動が阻害され易くなる傾向がある。
【0048】
次に、本スイッチング素子100の作用について説明する。本スイッチング素子においては、第一電極10と、第二電極21あるいは第三電極22との間に印加される電圧の大小によって、第二電極21と第三電極22との間の導通/遮断がスイッチングされる。
【0049】
以下詳細に説明する。第一電極10と、第二電極21あるいは第三電極22と、の間に印加される電圧Vによって空間35には上向き又は下向きの電界Eが生じる。このため、泳動媒体40内の泳動粒子50には、上向き又は下向きの静電気力Sが生じる。また、泳動粒子50には、さらに、重力及び浮力による力W、すなわち、泳動媒体40の密度と泳動粒子50の密度との差に応じて生ずる力が働く。すると、泳動粒子50に働く正味の力Fは、上向きを正として、F=S+Wとなる。
【0050】
ここで、まず、簡単のため、泳動粒子50が正に帯電している場合について説明する。第一電極10と、第二電極21あるいは第三電極22との間に印加される電圧Vの大きさが所定の閾値電圧VS未満となって泳動媒体40内の上向きの電界の強さが所定の値未満となりF<0となる場合には、図2に示すように、泳動粒子50は重力により沈降して第二電極21、絶縁体23、第三電極22の各々の表面上にわたって敷き詰められ、第二電極21と第三電極22との間を電気的に導通することになる。
【0051】
一方、第一電極10と第二電極21あるいは第三電極22との間に印加される電圧Vの大きさが所定の閾値電圧VSを超えて泳動媒体40内の上向きの電界の強さが所定の値を超えてF>0となる場合には、図3に示すように、泳動粒子50は電気泳動により上昇し、第二電極21や第三電極22と接触しなくなるので、第二電極21と第三電極22との間は絶縁されることとなる。
【0052】
一方、泳動粒子50が負に帯電している場合には、次のようになる。すなわち、第一電極10と、第二電極21あるいは第三電極22との間に印加される電圧Vの大きさが所定の閾値電圧VS未満となって泳動媒体40内の下向きの電界の強さが所定の値未満となり、F<0となる場合には、図2に示すように、泳動粒子50は重力により沈降して第二電極21、絶縁体23、第三電極22の各々の表面上にわたって敷き詰められ、第二電極21と第三電極22との間を電気的に導通することになる。
【0053】
一方、第一電極10と第二電極21あるいは第三電極22との間に印加される電圧Vの大きさが所定の閾値電圧VSを超えて泳動媒体40内の下向きの電界の強さが所定の値を超え、F>0となる場合には、図3に示すように、泳動粒子50は電気泳動により上昇し、第二電極21や第三電極22と接触しなくなるので、第二電極21と第三電極22との間は絶縁されることとなる。
【0054】
また、泳動粒子50が正に帯電する場合、負に帯電する場合、の何れの場合も、第一電極10と、第二電極21及び第三電極22との間の電圧Vの大きさが所定の閾値電圧VS未満、例えば、ゼロ、等に戻ると、泳動粒子50が沈降し構造体20上に再び敷き詰められることととなって、第二電極21と第三電極22との間の導通が復帰し、スイッチング動作の繰り返しが可能となっている。
【0055】
そして、このようなスイッチングが起こる閾値電圧VSは、泳動粒子50の帯電量、密度等の物性、泳動媒体40の密度等の物性、さらに、第一電極10と第二電極21や第二電極21とのギャップ長さ等によって変化するので、これらを適宜変えることにより、所望の閾値電圧VSでスイッチング動作が起こるスイッチング素子を得ることができる。
【0056】
また、本実施形態においては、構造体20で、第一電極10に対面する部分が平面とされているので、第二電極21から絶縁体23を通って第三電極22に亘って泳動粒子が敷き詰められやすくなり、導通/遮断の切り替えが好適に行われている。
【0057】
また、スペーサ30によって、泳動粒子50や泳動媒体が封入される所定の閉空間35を画成しているので、構造が簡素化されてスイッチング素子を好適に製造できる。
【0058】
以上説明したように、本実施形態に係るスイッチング素子によれば、第一電極10と、第二電極21や第三電極22との間の電圧の大きさが所定の閾値未満であって、第一電極10と第二電極21や第三電極22との間の電界によって泳動粒子50が上方に泳動されない場合には、泳動粒子50が重力によって泳動媒体内を沈降して第二電極21の表面から絶縁体23の表面を通って第三電極22の表面に亘って敷き詰められ、第二電極21と第三電極22との間がこの泳動粒子50の群によって電気的に導通される。一方、第一電極10と、第二電極21や第三電極22との間に印加される電圧の大きさが所定の閾値を超え、第一電極10と第二電極21や第三電極22との間の電界によって泳動粒子50が重力に打ち勝って上方に電気泳動されると、泳動粒子50が第一電極10側に移動し、泳動粒子50と第二電極21や第三電極22とが接触しなくなり第二電極21と第三電極22との間が電気的に絶縁される。このため、第一電極10と、第二電極21や第三電極22との間の電圧に応じて、第二電極21と第三電極22との間の導通/遮断を繰り返し切替可能な新規な構成のスイッチング素子100が実現される。
【0059】
なお、本実施形態において、泳動粒子50として、電界が印可されない場合に泳動媒体40中で重力により沈降するものを用いたが、電界が印可されない場合に泳動媒体40中で重力により浮上する泳動粒子を用いてもよい。この場合は、スイッチング素子100を上下逆さまに配置して構造体20の下方に第一電極10が位置するようにした状態で使用すればよく、上述と同様のスイッチング動作が可能である。
【0060】
次に、このようなスイッチング素子100の製造方法の一例を、図4(a)〜図6(b)を参照して説明する。
【0061】
具体的には、まず、構造体板70を製造する。ここでは、図4(a)に示すように、絶縁体である板材6を、導体である板材3及び導体である板材2で両側から挟んで板状に並べ、一方の面側から板状の接合部材9を接着することにより板材3、板材6、板材2を一体化する。なお、図4(b)に示すように、板材6の両側に熱硬化型等の接着剤を塗布した後、この板材6を板材2及び板材3で両側から挟むようにしても良い。これによって、図5(a)に示す平板状の構造体板70が完成する。
【0062】
次に、図5(b)に示すように、第一電極板74を用意する。この第一電極板74は、構造体板70の大きさに対応する所定厚みの導体である。
【0063】
次に、図5(c)に示すようなスペーサ板72を用意する。このスペーサ板72は、構造体板70の大きさに対応する所定厚みの絶縁体シートに、所定の大きさの穴7をプレス等により複数形成したものである。
【0064】
つぎに、スペーサ板72の下面に、所定厚みの接着層73を印刷等により塗布し、構造体板70にスペーサ板72を貼り合わせてその後乾燥させる(図6(a)参照)。そして、泳動媒体40と泳動粒子50とを所定の比率で混ぜ合わせて攪拌した後、スペーサ板72内の穴7に各々ピペット等で滴下して満たす。
【0065】
次に、第一電極板70の下面で、スペーサ板72の表面形状に対応する部分に、マスク印刷によって所定厚みの接着層75を塗布し、図6(b)に示すように、穴7内に気泡が入らないようにして、スペーサ板72の上に第一電極板70を乗せて貼り合わせてその後乾燥させ、素子集合体150を形成する。
【0066】
最後に、この素子集合体150を所定の寸法に切断して、スイッチング素子100を得る。
【0067】
次に、過電圧が印加されないように負荷R1を保護するためにスイッチング素子100を利用する場合を例にして、本実施形態に係るスイッチング素子を用いたスイッチング回路の実施形態について、図7を参照して説明する。
【0068】
本実施形態に係るスイッチング回路200は、直流電源80と、可変抵抗RVと、保護対象となる負荷R1と、負荷R2とを有している。負荷R1の一端は、可変抵抗RVを介して電圧V1を発生する直流電源80の負極に接続されている。一方、負荷R1の他端は、スイッチング素子100の第三電極22と接続されている。また、スイッチング素子100の第一電極10は、負荷R2及び可変抵抗RVを介して直流電源80の負極に接続されている。さらに、スイッチング素子100の第二電極21は、スイッチSW1を介して直流電源80の正極と接続されている。ここで、スイッチング素子100においては、正に帯電すると共に、電界の印可されない状態で泳動媒体40中を沈降する泳動粒子50を用いている。
【0069】
SW1が開放されている場合には、スイッチング素子や負荷R1に対して電圧は印加されない。このとき、泳動粒子50は、重力によって沈降した結果、第二電極21の表面から、絶縁体23の表面、第三電極22の表面にわたって、密に敷き詰められた状態となっている。そして、この泳動粒子50は、全体として、第二電極21と第三電極22との間を電気的に導通可能とする。
【0070】
つぎに、SW1が閉じられると、直流電源80からの電圧V1によって、電流は、直流電源80の正極から、スイッチSW1、スイッチング素子100の第二電極21、泳動粒子50、第三電極22を順に流れて負荷R1に供給され、さらに、可変抵抗RVを通って直流電源80の負極に戻ることになる。このとき、第一電極10は、直流電源80の負極に接続されており、スイッチング素子100の第一電極10と、スイッチング素子100の第二電極及び第三電極22との間に電圧V1が印加されることになり、空間35内に上向きの電界E1が生ずることになる。このため、正の電荷を有する泳動粒子50には、上向きの静電気力S1が働く。しかしながら、スイッチング素子100の閾値電圧VSをV1よりも大きいものとし、E1の電界ではF=S1+W<0となるように設定することにより、泳動粒子50が上方に泳動することなく導通が維持される。そして、負荷R1に所定の直流電圧V1が印加され続けることとなる。すなわち、図8(a)に示す回路と等価な回路が実現される。
【0071】
これに対して、サージ等の外乱等により、負荷R1の両端に直流電源80の電圧V1を超える過電圧V2が印加される場合には、第一電極10と、第二電極21及び第三電極22との間にE1よりも高い電界E2が生ずることとなる。そして、正の電荷を有する泳動粒子50には、S1よりも強い上向きの静電気力S2が働く。そして、V2がスイッチング素子100の閾値電圧VSを超え、F=S2+W>0となると、泳動粒子50が上方に向かって泳動を始める。これにより、第二電極21と第三電極22との間が絶縁され、負荷R1に過電圧V2が印加されなくされる。すなわち、図8(b)に示す回路と等価な回路が実現される。この状態では、泳動粒子50は第一電極10の表面に接触することとなる。
【0072】
そして、過電圧V2によって、泳動粒子50が上方に移動して第一電極10に接触した後、第一電極10と第二電極21との間の電圧がV1に戻ったり、あるいは、電圧が0になったりすることにより、泳動粒子50は下方に沈降して再び第二電極21と第三電極22との間の導通が回復し、負荷R1に対して電圧V1を印加可能となる。すなわち、外乱等によってスイッチングがおきて、負荷R1への回路が遮断されても、不具合が解消すれば、自動的な復帰が可能となる。
【0073】
以上説明したように、本実施形態に係るスイッチング回路200によれば、スイッチング素子100がスイッチングする閾値電圧より低い直流電圧が第一電極10と、第二電極21や第三電極22と、の間に印加されている場合には、第二電極21と第三電極22との導通が確保されて、負荷R1に所定の電圧が印加される。一方、閾値電圧を超える電圧が第一電極10と、第二電極21や第三電極22と、の間に印加される場合には、泳動粒子50が上方に泳動して第二電極21と第三電極22との間が絶縁され、負荷R1に対して閾値電圧を超える電圧が印加されることが妨げられる。これにより、負荷R1荷対する過電圧保護回路を提供できる。
【0074】
次に、本実施形態にかかるスイッチング素子を作成して特性を調べた。
【0075】
(実施例1)
まず、表面層がSbドープされたSnO粒子を用意した。このSnO粒子の比表面積は70m/g、粉体抵抗は1.5Ω・cmであった。そして、この粒子に、表面処理剤としてエーテル系の非イオン系表面処理剤(東邦化学(株)製)を添加して混合し、その後乾燥して泳動粒子とした。
【0076】
また、泳動媒体として、イソパラフィンを用意した。このイソパラフィンは、25℃における密度が0.78g/cmであり、40℃での動粘度が85×10−6/s(85cSt)であった。ここで、泳動粒子は、泳動媒体中で正に帯電し、また、電界が印加されない場合に泳動媒体中で沈降する。
【0077】
次に、縦3mm、横100mm、厚みが0.2mmのアルミ板を用意して第一電極板とし、さらに、縦3mm、横100mm、厚みが0.15mmのPET製のシートを用意し、このシートに、縦2mm、横6mmの穴を10mm間隔で横方向に、2tプレスで複数開けてスペーサ板とした。
【0078】
続いて、縦0.5mm、横100mm、厚み0.2mmのPET板を用意し、これを縦1.25、横1.25、厚みが0.2mmの2つのアルミ板で両側から挟み、一方の面側からポリイミドテープを貼付して一体化して、縦3mm、横100mm、厚み0.2mmの構造体板を用意した。
【0079】
次に、スペーサ板の一方の面に0.05mm厚の2液性のエポキシ接着剤を印刷により塗布し、このスペーサ板を構造体板の他方の面と貼り合わせて乾燥した。
【0080】
次に、泳動媒体と、泳動粒子とを、泳動粒子の重量A/泳動媒体の重量Bが0.0135となるように混合して攪拌し、スペーサ板の各穴に滴下した。そして、第一電極板の一方の面に、マスク印刷にて0.05mmの厚みのエポキシ接着剤を塗布した。このとき、スペーサ板と貼り合わせた場合にスペーサ板の穴の部分に対応する場所を除くようにマスクを用いてエポキシ接着剤を第一電極板に塗布した。その後、第一電極板をスペーサ板の穴内に気泡が入らないようにスペーサ板と貼り合わせて乾燥させ、縦3mm、横100mm、厚み0.65mmのスイッチング素子集合体を得た。そして、この集合体を横10mmずつに切断して、縦3mm、横10mm、厚み0.65mmの第一の実施例に係るスイッチング素子を得た。
【0081】
(実施例2)
泳動媒体として、25℃での密度が1.32g/cm、40℃での動粘度が53×10−6m/s(53cSt)であるシリコンオイルを用いた以外は実施例1と同様にして、第二の実施例に係るスイッチング素子を得た。
【0082】
(実施例3)
泳動媒体として25℃での密度が1.65g/cm、40℃での動粘度が2×10−6m/s(53cSt)であるフッ素系溶媒(住友スリーエム(株)製フロリナート)を用いると共に、泳動粒子の作成において、表面処理剤として非イオン系のフッ素処理剤(例えば、ダイキン工業(株)製)を用いた以外は実施例1と同様にして、第三の実施例に係るスイッチング素子を得た。
【0083】
そして、このようにして得られたスイッチング素子を、上述した実施形態におけるスイッチング回路(図7参照)におけるスイッチング素子100として適用し、電源電圧を5、10,20,30,50,75,100Vと段階的に増加させ、各々の場合に負荷R1を流れた電流値を測定した。ここでは、第一電極を構造体よりも上方になるようにスイッチング素子を各々配置した。100Vにおける電流値の測定後には、電源電圧を0Vに戻した。また、繰り返し性能を検証すべく、このような一連の操作を全部で10回繰り返した。この結果を図9〜図11に示す。なお、簡単のため、3回目、4回目、6〜9回目の電圧増加過程における各測定値の図示は省略しているが、何れも1回目の結果と同じであった。
【0084】
この結果より明らかなように、実施例1〜3のスイッチング素子においては、各々所定以上の電圧が印加されると負荷R1に電流が流れなくなっており、泳動粒子の上方への電気泳動により第二電極と第三電極との間が絶縁されスイッチング素子として機能することが示された。また、10回の繰り返し動作を行っても、スイッチング動作が同じスイッチング電圧で行われており、繰り返し動作可能なスイッチング素子が提供されることが示された。
【0085】
また、実施例1のスイッチング素子のスイッチングの閾値は5〜10Vの間にあり、実施例2のスイッチング素子のスイッチングの閾値は10〜20Vの間にあり、実施例3のスイッチング素子のスイッチングの閾値は50〜75Vの間にあり互いに異なっている。実施例1、実施例2、実施例3においては、泳動媒体の密度や物性等が互いに異なっており、これによって泳動媒体に働く浮力や帯電量等が変化するので、閾値が変化したものと考えられる。これらによって、本実施形態に係るスイッチング素子の有用性が実証された。
【0086】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形態様をとることが可能である。例えば、上記回路においては、電界が印可されない状態で泳動媒体中を沈降する泳動粒子を有するスイッチング素子を用いているが、電界が印可されない状態で泳動媒体中を浮上する泳動粒子を有するものを用いてもよい。また、上記回路においては、泳動媒体中で正に帯電する泳動粒子を有するスイッチング素子を用いているが、泳動媒体中で負に帯電する泳動粒子を有するスイッチング素子を有するものを用いてもよい。
【0087】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明によれば、第一電極と、第二電極や第三電極との間の電圧に応じて、第二電極と第三電極との間の導通/遮断を繰り返し切替可能な新規な構成のスイッチング素子およびこれを用いたスイッチング回路が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係るスイッチング素子を示す一部破断斜視図である。
【図2】図1の垂直断面図である。
【図3】図2のスイッチング素子において、泳動粒子が上方に泳動した状態を示す垂直断面図である。
【図4】図4(a)及び図4(b)は、図1のスイッチング素子の製造工程を説明する断面図である。
【図5】図5(a)、図5(b)、図5(c)は、図4(a)に続く工程を説明するための斜視図である。
【図6】図6(a)、図6(b)は、図5(a)、図5(b)、図5(c)に続く工程を説明するための斜視図である。
【図7】図1のスイッチング素子を用いたスイッチング回路の回路図である。
【図8】図8(a)は、図7の回路の第一の動作状態と等価な回路を示す回路図であり、図8(b)は、図7の回路の第二の動作状態と等価な回路を示す回路図である。
【図9】実施例1に係るスイッチング素子の特性を示す図である。
【図10】実施例2に係るスイッチング素子の特性を示す図である。
【図11】実施例3に係るスイッチング素子の特性を示す図である。
【符号の説明】
10…第一電極、21…第二電極、22…第三電極、23…絶縁体、30…スペーサ、40…泳動媒体、50…泳動粒子、80…直流電源、100…スイッチング素子、200…スイッチング回路、R1…負荷。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching element for switching between conduction and interruption of a circuit, and a switching circuit using the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, switching elements, such as varistors, fuses, and Zener diodes, capable of switching on / off of a circuit are known. For example, the varistor performs a switching operation by a tunnel effect of electrons at a grain boundary. Further, the fuse performs a switching operation when a wire is cut by Joule heat. The Zener diode performs a switching operation by the Zener effect, which is a tunnel phenomenon of electrons at a PN junction.
[0003]
By using these switching elements, for example, when an overvoltage is supplied, the electronic device can be protected. For example, by connecting a varistor or a zener diode in parallel with the electronic device to be protected, when an overvoltage is applied to the electronic device, the current is bypassed and the electronic device is protected. In addition, by connecting a fuse in series with the electronic device, when an overvoltage is applied to the electronic device, a circuit to the electronic device is cut off and the electronic device is protected.
[Patent Document 1]
JP-A-46-7371
[Patent Document 2]
JP-A-50-350
[Patent Document 3]
JP-A-5-6806
[Patent Document 4]
JP-A-5-227738
[Patent Document 5]
JP-A-8-204127
[Patent Document 6]
JP-A-11-103145
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to enable further cost reduction and higher performance, there is a demand for the development of a switching element having a configuration different from the conventional one.
[0005]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a switching element having a novel configuration and a switching circuit using the same.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The switching element according to the present invention has a first electrode, a second electrode, a third electrode, and an insulator that electrically insulates the second electrode and the third electrode. The electrode and the insulator each have a structure facing the first electrode, an electrically insulating electrophoretic medium interposed between the first electrode and the structure, and are present in the electrophoretic medium, A plurality of electrophoretic particles that are electrically charged and electrophoresed in response to an electric field, can conduct electricity, and float or sink in the electrophoretic medium when no electric field is applied.
[0007]
According to the switching element according to the present invention, when the electrophoretic particles settle in the electrophoretic medium when no electric field is applied, and the switching element is arranged such that the first electrode is located above the structure, the following: Such an operation becomes possible. That is, the magnitude of the voltage between the first electrode and the second electrode or the third electrode is less than a predetermined threshold, and the migrating particles are caused by the electric field between the first electrode and the second electrode or the third electrode. If not migrated upwards against the gravity, the migrating particles settle down in the electrophoresis medium by gravity and are spread on the structure from the second electrode through the insulator to the third electrode, and the second electrode And the third electrode are electrically connected by the group of migrating particles. On the other hand, the magnitude of the voltage applied between the first electrode, the second electrode and the third electrode exceeds a predetermined threshold, and the electrophoresis occurs due to the electric field between the first electrode and the second electrode or the third electrode. When the particles are electrophoresed upward against gravity, the migrating particles move from the second structure to the first electrode side, so that the migrating particles do not contact the second or third electrode and the second electrode And the third electrode are electrically insulated.
[0008]
When the switching element is arranged such that the migrating particles float in the migrating medium when no electric field is applied and the first electrode is located below the structure, the following operation can be performed. That is, the magnitude of the voltage between the first electrode and the second electrode or the third electrode is less than a predetermined threshold, and the migrating particles are caused by the electric field between the first electrode and the second electrode or the third electrode. When not migrated downward against gravity, the migrating particles float on the electrophoresis medium by gravity and are spread on the lower surface of the structure from the second electrode through the insulator to the third electrode, The group of the migrating particles electrically connects the electrode and the third electrode. On the other hand, the first electrode, the magnitude of the voltage applied between the second electrode and the third electrode exceeds a predetermined threshold, by the electric field between the first electrode and the second electrode or the third electrode, When the migrating particles move downward due to the electrostatic force against the gravity, the migrating particles move from the second structure side to the first electrode side, and the migrating particles do not contact the second electrode or the third electrode. The second electrode and the third electrode are electrically insulated.
[0009]
For this reason, a switching element having a novel configuration capable of repeatedly switching conduction / interruption between the second electrode and the third electrode according to the voltage between the first electrode and the second electrode or the third electrode. Is achieved.
[0010]
Here, the portion of the structure facing the first electrode is preferably flat.
[0011]
According to this, the electrophoretic particles can be easily spread evenly, so that the conduction / interruption can be reliably switched by the voltage.
[0012]
An insulating spacer sandwiched between the first electrode and the structure and defining a predetermined closed space between the first electrode and the structure; The particles are preferably introduced into the closed space.
[0013]
According to this, a switching element having a suitable structure is realized, and manufacturing is also facilitated.
[0014]
Further, it is preferable that the electrophoretic particles have been subjected to a surface treatment with a nonionic surface treating agent.
[0015]
According to this, the electrophoretic particles are hardly aggregated in the electrophoresis medium, and the switching is performed more reliably.
[0016]
Further, the electrophoretic particles have a specific resistance of 10 2 It is preferably Ω · cm or less.
[0017]
According to this, the resistance when conducting between the second electrode and the third electrode is reduced, and heat generation is suppressed.
[0018]
The electrophoretic particles have a specific surface area of 10 to 100 m. 2 / G.
[0019]
According to this, electrophoresis of the migrating particles is suitably performed.
[0020]
The electrophoresis medium has a kinematic viscosity at 40 ° C. of 1 × 10 -6 ~ 100 × 10 -6 m 2 / S.
[0021]
According to this, the electrophoretic particles are suitably electrophoresed, and the repetition performance is enhanced.
[0022]
The electrophoresis medium has a density at 5 ° C. of 0.7 to 2.0 g / cm. 3 It is preferable that
[0023]
According to this, electrophoresis is suitably performed, sedimentation and floating by gravity are also suitably performed, and the repetition performance is enhanced.
[0024]
When the weight of the electrophoretic particles is A and the weight of the electrophoretic medium is B, A / B is preferably 0.01 to 0.05.
[0025]
According to this, when the voltage is less than the predetermined threshold, the connection between the second electrode and the third electrode is suitably conducted by the migrating particles, and when the voltage exceeds the predetermined threshold, the electrophoresis occurs in the electrophoresis medium. The particles migrate favorably.
[0026]
A switching circuit according to the present invention is a circuit that is connected to a DC power supply that generates a predetermined DC voltage between a first output terminal and a second output terminal. One output terminal and a load connected between one of the second electrode and the third electrode of the switching element, wherein the first electrode of the switching element is connected to the first output terminal of the DC power supply. The other of the second electrode and the third electrode of the switching element is a circuit connected to the second output terminal of the DC power supply.
[0027]
According to the switching circuit of the present invention, the following effects can be obtained by using the above-described switching element. That is, when a DC voltage smaller than the magnitude of the threshold voltage at which the switching element switches is applied between the first electrode and the second or third electrode, the voltage between the second electrode and the third electrode is reduced. The conduction is ensured, and a predetermined voltage is applied to the load. On the other hand, when a voltage having a magnitude exceeding the threshold voltage is applied between the first electrode and the second or third electrode, the migrating particles migrate upward or downward, and the second electrode and the second electrode move. The three electrodes are insulated from each other to prevent a voltage exceeding a threshold voltage from being applied to the load. Thus, an overvoltage protection circuit for the load is suitably provided.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a switching element according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding elements have the same reference characters allotted, and overlapping description will be omitted.
[0029]
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of a switching element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a vertical sectional view of the switching element according to the embodiment of the present invention. The switching element 100 according to the present embodiment mainly includes the first electrode 10, the structure 20, the spacer 30 interposed between the first electrode 10 and the structure 20, the first electrode 10 and the structure 20. And an electrophoretic medium 40 and electrophoretic particles 50 enclosed in a space 35 defined by the spacer 30 and the spacer 30.
[0030]
The first electrode 10 is a rectangular plate formed of a conductor, and is arranged horizontally.
In addition, the structure body 20 faces the first electrode 10 at a predetermined interval below the first electrode 10, and has a rectangular plate shape similar to the first electrode 10.
[0031]
This structure 20 has an insulator 23 formed of an electrically insulating material. Further, the structure 20 is formed of a conductor and has a pair of second electrodes 21 and third electrodes 22 that sandwich the insulator 23 from both sides in the horizontal direction. The second electrode 21 and the third electrode 22 are electrically insulated from each other by an insulator 23. In addition, a portion extending from the second electrode 21 to the insulator 23 through the third electrode 22 on the upper surface of the structure 20 is a horizontal surface, and faces the lower surface of the first electrode 10.
[0032]
The second electrode 21, the third electrode 22, and the insulator 23 are connected to each other and integrated by a joining member 24 that joins them from the lower surface side.
[0033]
The material of the first electrode 10, the second electrode 21, and the third electrode 22 is not particularly limited as long as it is a conductor, and may be a metal such as aluminum, copper, nickel, or a material obtained by coating glass or plastic with a conductive film. Available.
[0034]
The spacer 30 has a rectangular horizontal frame shape made of an insulating material, has an insulating adhesive layer 31 on the upper surface side, and has an insulating adhesive layer 32 on the lower surface side. And the structure 20 are vertically sandwiched and fixed. The lower surface of the first electrode 10, the upper surfaces of the second electrode 21, the third electrode 22, and the insulator 23 of the structure 20, and the inner peripheral surfaces of the spacer 30, the adhesive layer 31, and the adhesive layer 32, A predetermined space (closed space) 35 is defined.
[0035]
In the space 35, a migration medium 40 and a large number of migration particles 50 are sealed. The electrophoresis medium 40 is a fluid having an insulating property. The electrophoresis medium 40 enables the electrophoresis and sedimentation of the electrophoresis particles 50 in the electrophoresis medium 40 by dispersing the electrophoresis particles 50. It is preferable that the electrophoretic medium 40 is chemically stable, has high electric breakdown strength, and can stably disperse the electrophoretic particles 50. The electrophoretic medium 40 preferably does not contain ions, and does not generate ions even when an electric field is applied. Examples thereof include liquid paraffin, silicone oil, various hydrocarbons, various aromatic hydrocarbons, and organic chlorides.
[0036]
Further, the electrophoresis medium 40 has a kinematic viscosity at 40 ° C. of 1 × 10 -6 ~ 100 × 10 -6 m 2 / S (1 to 100 cSt). If the kinematic viscosity is out of this range, the migrating particles 50 tend not to migrate or the repetition performance described later tends to decrease.
[0037]
The electrophoresis medium 40 has a density at 25 ° C. of 0.7 to 2.0 g / cm. 3 It is preferable that If the density of the electrophoresis medium 40 is out of this range, electrophoresis tends to hardly occur or sedimentation tends to hardly occur, and the repetition performance tends to decrease.
[0038]
On the other hand, the electrophoretic particles 50 placed in the electrophoretic medium 40 in the space 35 exhibit a charge in the electrophoretic medium 40, that is, have a positive or negative net charge. Electrophoresis in the electrophoresis medium 40.
[0039]
The charging mode of the migrating particles 50 may be variously considered. For example, the entire migrating particles 50 may be charged, and when the migrating particles 50 have a multiple structure having a nucleus and a coating layer, the nucleus is charged. Alternatively, the coating layer may be charged, and when the electrophoretic medium 40 has been surface-modified, the interface may be charged by a surface-modifying substance.
[0040]
Further, the density of the migrating particles 50 is higher than that of the migrating medium 40, and when no electric field is applied in the space, the migrating particles 50 sediment by gravity. Further, the migrating particles 50 can have a semiconductor or a conductor on at least the surface thereof to conduct electricity.
[0041]
In addition, the amount of the migrating particles 50 is such that it can be spread from the surface of the second electrode 21 to the surface of the third electrode 22 through the surface of the insulator 23 on the upper surface of the structure 20. When the migrating particles 50 are spread over the upper surface of the structure 20 from the second electrode 21 through the insulator 23 to the third electrode 22, contact between the migrating particles 50 and a part of the migrating particles 50 are performed. By contact between the second electrode 21 and the third electrode 22 or the like, an electric conduction path from the second electrode 21 to the third electrode is formed, and electric conduction is enabled.
[0042]
Here, the electrophoretic particles 50 preferably have a low specific resistance, and specifically, have a specific resistance of 10 2 It is preferably Ωcm or less. The specific resistance of the migrating particles 50 is 10 2 If it exceeds Ωcm, the resistance of the electric conduction path formed by the migrating particles 50 tends to increase, and the amount of heat generated tends to increase.
[0043]
Further, the electrophoretic particles 50 preferably have a small particle diameter. Specifically, the specific surface area of the migrating particles 50 is 10 to 100 m 2 / G. If the specific surface area of the migrating particles 50 is out of this range, electrophoresis is unlikely to occur, and the migration speed tends to decrease. Further, the electrophoretic particles 50 preferably have a narrow particle size range.
[0044]
The migrating particles 50 are preferably surface-treated with a nonionic surface treating agent. When the surface treatment is performed, the aggregation of the migrating particles 50 in the migrating medium 40 does not easily occur, and the adhesion to the first electrode 10, the structure 20, or the like does not easily occur. This results in higher repetition performance and faster response.
Here, when the electrophoresis solvent 40 is other than a fluorine solvent, it is preferable to use a nonionic surfactant, a nonionic ether-based surface treatment agent, or the like. On the other hand, when the electrophoresis solvent 40 is a fluorinated solvent, it is preferable to use a nonionic fluorinating agent. When electrophoretic particles that have been surface-treated with a non-fluorinated solvent other than a nonionic fluorinated solvent are used, the processing agent tends to separate from the electrophoretic particles in the electrophoretic solvent.
[0045]
As a specific example of such migrating particles 50, for example, a semiconductor can be suitably used. Specifically, there is a semiconductor in which a surface of Si, Ge, or the like is doped with a donor or an acceptor to form a semiconductor. As an oxide semiconductor, for example, TiO 2 , SnO 2 , ZnO, Fe 2 O 3 , BaTiO 3 , SrTiO 3 And those obtained by doping the surface of these particles with a donor or an acceptor to form a semiconductor. Further, nitrides such as TiN, TaN, NbN, etc., carbides such as SiC, TiC, WC, TaC, etc., and carbon can also be used.
[0046]
A metal can also be used as the migrating particles 50. For example, a noble metal such as Au, Pt, or Ag, a base metal such as Ni or Cu, an alloy of a noble metal and a base metal, or a semiconductor or a conductive polymer. Coated ones are available.
[0047]
The ratio between the electrophoretic medium 40 and the electrophoretic particles 50 existing in the space 35 is such that when the weight of the electrophoretic particles 50 is A and the weight of the electrophoretic medium 40 is B, A / B is 0.01 to 0.05. Preferably. When the A / B is less than 0.01, the amount of the migrating particles 50 is small, so that even if the migrating particles 50 are laid on the structure 20, electrical continuity between the second electrode 21 and the third electrode 22 is maintained. It tends to be difficult to establish. On the other hand, when the A / B is 0.05 or more, the electrophoresis of the migrating particles tends to be easily inhibited because the proportion of the migrating particles in the space 35 increases.
[0048]
Next, the operation of the switching element 100 will be described. In the present switching element, conduction / interruption between the second electrode 21 and the third electrode 22 is determined by the magnitude of the voltage applied between the first electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22. Is switched.
[0049]
This will be described in detail below. An upward or downward electric field E is generated in the space 35 by the voltage V applied between the first electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22. Therefore, an upward or downward electrostatic force S is generated on the migrating particles 50 in the migrating medium 40. Further, a force W due to gravity and buoyancy, that is, a force generated according to a difference between the density of the electrophoretic medium 40 and the density of the electrophoretic particles 50 acts on the electrophoretic particles 50. Then, the net force F acting on the migrating particles 50 is F = S + W with the upward direction being positive.
[0050]
Here, first, for simplicity, a case where the migrating particles 50 are positively charged will be described. When the magnitude of the voltage V applied between the first electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22 becomes lower than a predetermined threshold voltage VS, the strength of the upward electric field in the electrophoresis medium 40 becomes predetermined. When F <0, the migrating particles 50 settle down due to gravity and are spread over the surfaces of the second electrode 21, the insulator 23, and the third electrode 22, as shown in FIG. Thus, the second electrode 21 and the third electrode 22 are electrically connected.
[0051]
On the other hand, when the magnitude of the voltage V applied between the first electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22 exceeds a predetermined threshold voltage VS, the strength of the upward electric field in the electrophoresis medium 40 becomes When F> 0, the electrophoretic particles 50 rise by electrophoresis and come out of contact with the second electrode 21 or the third electrode 22, as shown in FIG. And the third electrode 22 are insulated.
[0052]
On the other hand, when the migrating particles 50 are negatively charged, the following occurs. That is, the magnitude of the voltage V applied between the first electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22 becomes smaller than the predetermined threshold voltage VS, and the strength of the downward electric field in the electrophoresis medium 40 is reduced. Is smaller than a predetermined value, and when F <0, as shown in FIG. 2, the migrating particles 50 settle down due to gravity and fall on the respective surfaces of the second electrode 21, the insulator 23, and the third electrode 22. And the second electrode 21 and the third electrode 22 are electrically connected to each other.
[0053]
On the other hand, when the magnitude of the voltage V applied between the first electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22 exceeds a predetermined threshold voltage VS, the strength of the downward electric field in the electrophoresis medium 40 becomes When F> 0, as shown in FIG. 3, the migrating particles 50 rise by electrophoresis and stop coming into contact with the second electrode 21 or the third electrode 22. And the third electrode 22 are insulated.
[0054]
Also, in any case where the migrating particles 50 are positively charged or negatively charged, the magnitude of the voltage V between the first electrode 10 and the second electrode 21 and the third electrode 22 is predetermined. When the voltage returns to less than the threshold voltage VS, for example, zero, the migrating particles 50 settle down and are laid again on the structure 20, and the conduction between the second electrode 21 and the third electrode 22 is established. It returns and the switching operation can be repeated.
[0055]
The threshold voltage VS at which such switching occurs depends on the physical properties such as the charge amount and the density of the migrating particles 50, the physical properties such as the density of the migrating medium 40, and the first electrode 10, the second electrode 21, and the second electrode 21. The switching element changes depending on the gap length or the like, and by appropriately changing these, a switching element in which a switching operation occurs at a desired threshold voltage VS can be obtained.
[0056]
Further, in the present embodiment, since the portion facing the first electrode 10 in the structure 20 is a flat surface, migrating particles extend from the second electrode 21 through the insulator 23 to the third electrode 22. It is easy to spread, and switching between conduction and interruption is suitably performed.
[0057]
In addition, since the spacer 30 defines a predetermined closed space 35 in which the migrating particles 50 and the migrating medium are enclosed, the structure is simplified and the switching element can be suitably manufactured.
[0058]
As described above, according to the switching element according to the present embodiment, the magnitude of the voltage between the first electrode 10, the second electrode 21, and the third electrode 22 is less than the predetermined threshold, When the migrating particles 50 do not migrate upward due to the electric field between the one electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22, the migrating particles 50 settle down in the migrating medium due to gravity, and the surface of the second electrode 21 From the surface of the insulator 23 to the surface of the third electrode 22, and the group of the migrating particles 50 electrically connects between the second electrode 21 and the third electrode 22. On the other hand, the magnitude of the voltage applied between the first electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22 exceeds a predetermined threshold, and the first electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22 When the electrophoretic particles 50 overcome the gravity and are electrophoresed upward by the electric field between the electrophoretic particles, the electrophoretic particles 50 move to the first electrode 10 side, and the electrophoretic particles 50 contact the second electrode 21 or the third electrode 22. And the second electrode 21 and the third electrode 22 are electrically insulated. For this reason, according to the voltage between the first electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22, the conduction / interruption between the second electrode 21 and the third electrode 22 can be repeatedly switched. The switching element 100 having the configuration is realized.
[0059]
In the present embodiment, as the migrating particles 50, those that settle by gravity in the migrating medium 40 when no electric field is applied are used, but the migrating particles that float by gravity in the migrating medium 40 when no electric field is applied. May be used. In this case, the switching element 100 may be used upside down with the first electrode 10 positioned below the structure 20 and the same switching operation as described above is possible.
[0060]
Next, an example of a method for manufacturing such a switching element 100 will be described with reference to FIGS.
[0061]
Specifically, first, the structural body plate 70 is manufactured. Here, as shown in FIG. 4 (a), the plate material 6 as an insulator is arranged in a plate shape sandwiching the plate material 3 as a conductor and the plate material 2 as a conductor from both sides. The plate member 3, the plate member 6, and the plate member 2 are integrated by bonding the joining member 9. In addition, as shown in FIG. 4B, after applying an adhesive such as a thermosetting type to both sides of the plate member 6, the plate member 6 may be sandwiched between the plate members 2 and 3 from both sides. Thus, the flat structure plate 70 shown in FIG. 5A is completed.
[0062]
Next, as shown in FIG. 5B, a first electrode plate 74 is prepared. The first electrode plate 74 is a conductor having a predetermined thickness corresponding to the size of the structure plate 70.
[0063]
Next, a spacer plate 72 as shown in FIG. 5C is prepared. The spacer plate 72 is formed by forming a plurality of holes 7 having a predetermined size by pressing or the like on an insulating sheet having a predetermined thickness corresponding to the size of the structure plate 70.
[0064]
Next, an adhesive layer 73 having a predetermined thickness is applied to the lower surface of the spacer plate 72 by printing or the like, and the spacer plate 72 is bonded to the structural body plate 70 and then dried (see FIG. 6A). Then, the electrophoretic medium 40 and the electrophoretic particles 50 are mixed and stirred at a predetermined ratio, and then filled into the holes 7 in the spacer plate 72 with a pipette or the like.
[0065]
Next, an adhesive layer 75 having a predetermined thickness is applied by mask printing to a portion corresponding to the surface shape of the spacer plate 72 on the lower surface of the first electrode plate 70, and as shown in FIG. The first electrode plate 70 is placed on the spacer plate 72 and bonded together so as to prevent air bubbles from entering, and then dried to form the element assembly 150.
[0066]
Finally, the element assembly 150 is cut into a predetermined size to obtain the switching element 100.
[0067]
Next, an embodiment of a switching circuit using the switching element according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 7 by taking as an example a case where the switching element 100 is used to protect the load R1 so that an overvoltage is not applied. Will be explained.
[0068]
The switching circuit 200 according to the present embodiment includes a DC power supply 80, a variable resistor RV, a load R1 to be protected, and a load R2. One end of the load R1 is connected to a negative electrode of a DC power supply 80 that generates a voltage V1 via a variable resistor RV. On the other hand, the other end of the load R1 is connected to the third electrode 22 of the switching element 100. The first electrode 10 of the switching element 100 is connected to the negative electrode of the DC power supply 80 via the load R2 and the variable resistor RV. Further, the second electrode 21 of the switching element 100 is connected to the positive electrode of the DC power supply 80 via the switch SW1. Here, in the switching element 100, migrating particles 50 that are positively charged and settle in the migrating medium 40 in a state where no electric field is applied are used.
[0069]
When SW1 is open, no voltage is applied to the switching element or load R1. At this time, the migrating particles 50 have settled down from the surface of the second electrode 21 to the surface of the insulator 23 and the surface of the third electrode 22 as a result of sedimentation due to gravity. The migrating particles 50 as a whole enable electrical conduction between the second electrode 21 and the third electrode 22.
[0070]
Next, when the switch SW1 is closed, the current flows from the positive electrode of the DC power supply 80 to the switch SW1, the second electrode 21, the migrating particles 50, and the third electrode 22 of the switching element 100 in this order by the voltage V1 from the DC power supply 80. It flows and is supplied to the load R1, and further returns to the negative electrode of the DC power supply 80 through the variable resistor RV. At this time, the first electrode 10 is connected to the negative electrode of the DC power supply 80, and the voltage V1 is applied between the first electrode 10 of the switching element 100 and the second and third electrodes 22 of the switching element 100. As a result, an upward electric field E1 is generated in the space 35. Therefore, an upward electrostatic force S1 acts on the migrating particles 50 having a positive charge. However, by setting the threshold voltage VS of the switching element 100 to be higher than V1 and by setting F = S1 + W <0 in the electric field of E1, the conduction is maintained without the migrating particles 50 migrating upward. . Then, the predetermined DC voltage V1 is continuously applied to the load R1. That is, a circuit equivalent to the circuit shown in FIG.
[0071]
On the other hand, when an overvoltage V2 exceeding the voltage V1 of the DC power supply 80 is applied to both ends of the load R1 due to a disturbance such as a surge, the first electrode 10, the second electrode 21, and the third electrode 22 , An electric field E2 higher than E1 is generated. Then, an upward electrostatic force S2 stronger than S1 acts on the migrating particles 50 having a positive charge. Then, when V2 exceeds the threshold voltage VS of the switching element 100 and F = S2 + W> 0, the migrating particles 50 start moving upward. Thereby, the second electrode 21 and the third electrode 22 are insulated from each other, and the overvoltage V2 is not applied to the load R1. That is, a circuit equivalent to the circuit shown in FIG. In this state, the migrating particles 50 come into contact with the surface of the first electrode 10.
[0072]
Then, after the migrating particles 50 move upward and come into contact with the first electrode 10 due to the overvoltage V2, the voltage between the first electrode 10 and the second electrode 21 returns to V1 or the voltage becomes zero. As a result, the migrating particles 50 settle down, the conduction between the second electrode 21 and the third electrode 22 is restored, and the voltage V1 can be applied to the load R1. That is, even if switching occurs due to disturbance or the like and the circuit to the load R1 is cut off, automatic recovery is possible if the problem is solved.
[0073]
As described above, according to the switching circuit 200 according to the present embodiment, the DC voltage lower than the threshold voltage at which the switching element 100 switches is applied between the first electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22. Is applied, the conduction between the second electrode 21 and the third electrode 22 is ensured, and a predetermined voltage is applied to the load R1. On the other hand, when a voltage exceeding the threshold voltage is applied between the first electrode 10 and the second electrode 21 or the third electrode 22, the migrating particles 50 migrate upward and the second electrode 21 The three electrodes 22 are insulated from each other, thereby preventing a voltage exceeding the threshold voltage from being applied to the load R1. Thereby, an overvoltage protection circuit for the load R1 can be provided.
[0074]
Next, the switching element according to the present embodiment was prepared and its characteristics were examined.
[0075]
(Example 1)
First, the surface layer is made of SnO doped with Sb. 2 Particles were prepared. This SnO 2 The specific surface area of the particles is 70 m 2 / G, and the powder resistance was 1.5Ω · cm. Then, an ether-based nonionic surface treating agent (manufactured by Toho Chemical Co., Ltd.) was added to the particles as a surface treating agent, mixed, and then dried to obtain electrophoretic particles.
[0076]
Isoparaffin was prepared as a migration medium. This isoparaffin has a density of 0.78 g / cm at 25 ° C. 3 Kinematic viscosity at 40 ° C. is 85 × 10 -6 m 2 / S (85 cSt). Here, the migrating particles are positively charged in the migrating medium, and sediment in the migrating medium when no electric field is applied.
[0077]
Next, an aluminum plate having a length of 3 mm, a width of 100 mm, and a thickness of 0.2 mm was prepared and used as a first electrode plate. Further, a PET sheet having a length of 3 mm, a width of 100 mm, and a thickness of 0.15 mm was prepared. A plurality of holes having a length of 2 mm and a width of 6 mm were formed in the sheet at intervals of 10 mm in the horizontal direction by a 2t press to form a spacer plate.
[0078]
Subsequently, a PET plate having a length of 0.5 mm, a width of 100 mm, and a thickness of 0.2 mm is prepared, and is sandwiched between two aluminum plates having a length of 1.25, a width of 1.25, and a thickness of 0.2 mm. A polyimide tape was adhered from the surface side of the above and integrated to prepare a structural board having a length of 3 mm, a width of 100 mm and a thickness of 0.2 mm.
[0079]
Next, a two-part epoxy adhesive having a thickness of 0.05 mm was applied to one surface of the spacer plate by printing, and the spacer plate was bonded to the other surface of the structural plate and dried.
[0080]
Next, the electrophoretic medium and the electrophoretic particles were mixed and stirred such that the weight A of the electrophoretic particles / the weight B of the electrophoretic medium became 0.0135, and the mixture was dropped into each hole of the spacer plate. Then, an epoxy adhesive having a thickness of 0.05 mm was applied to one surface of the first electrode plate by mask printing. At this time, an epoxy adhesive was applied to the first electrode plate by using a mask so as to remove a portion corresponding to a hole portion of the spacer plate when bonded to the spacer plate. Thereafter, the first electrode plate was attached to the spacer plate so as to prevent air bubbles from entering the holes in the spacer plate and dried to obtain a switching element assembly having a length of 3 mm, a width of 100 mm, and a thickness of 0.65 mm. Then, this assembly was cut into 10 mm in width to obtain a switching element according to the first example having a length of 3 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 0.65 mm.
[0081]
(Example 2)
The electrophoresis medium has a density of 1.32 g / cm at 25 ° C. 3 Kinematic viscosity at 40 ° C. is 53 × 10 -6 m / s 2 A switching element according to a second embodiment was obtained in the same manner as in the first embodiment except that silicon oil of (53 cSt) was used.
[0082]
(Example 3)
1.65 g / cm density at 25 ° C. as electrophoresis medium 3 Kinematic viscosity at 40 ° C. is 2 × 10 -6 m / s 2 (53cSt) fluorinated solvent (Fluorinert manufactured by Sumitomo 3M Ltd.) is used, and a nonionic fluorinated treatment agent (for example, manufactured by Daikin Industries, Ltd.) is used as a surface treatment agent in preparing electrophoretic particles. A switching element according to a third embodiment was obtained in the same manner as in the first embodiment except for the difference.
[0083]
Then, the switching element thus obtained is applied as the switching element 100 in the switching circuit (see FIG. 7) in the above-described embodiment, and the power supply voltage is set to 5, 10, 20, 30, 50, 75, and 100V. The current was gradually increased, and in each case, the value of the current flowing through the load R1 was measured. Here, the switching elements were arranged such that the first electrode was above the structure. After measuring the current value at 100V, the power supply voltage was returned to 0V. Further, in order to verify the repetition performance, such a series of operations was repeated 10 times in total. The results are shown in FIGS. In addition, although illustration of each measured value in the third, fourth, and sixth to ninth voltage increase processes is omitted for simplicity, the results are all the same as the first results.
[0084]
As is clear from these results, in the switching elements of Examples 1 to 3, when a voltage equal to or more than a predetermined voltage was applied, no current flowed to the load R1, and the second electrophoresis caused by electrophoresis above the electrophoretic particles. It was shown that the electrode and the third electrode were insulated and functioned as a switching element. Further, even when the repetition operation was performed ten times, the switching operation was performed at the same switching voltage, and thus it was shown that a switching element capable of repetition operation was provided.
[0085]
The switching threshold value of the switching element of the first embodiment is between 5 and 10 V, the switching threshold value of the switching element of the second embodiment is between 10 and 20 V, and the switching threshold value of the switching element of the third embodiment. Are between 50 and 75 V and are different from each other. In Example 1, Example 2 and Example 3, the density and physical properties of the electrophoretic medium are different from each other, and this changes the buoyancy and the charge amount acting on the electrophoretic medium. Can be These have demonstrated the usefulness of the switching element according to the present embodiment.
[0086]
Note that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in the above circuit, a switching element having migrating particles which settles in the electrophoretic medium in a state where no electric field is applied is used, but a switching element having migrating particles which floats in the electrophoretic medium in a state where no electric field is applied is used. You may. In the above circuit, a switching element having electrophoretic particles which are positively charged in the electrophoretic medium is used, but a circuit having a switching element having electrophoretic particles which are negatively charged in the electrophoretic medium may be used.
[0087]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, conduction / interruption between the second electrode and the third electrode is repeatedly switched according to the voltage between the first electrode and the second electrode or the third electrode. A switching element having a novel configuration and a switching circuit using the same are realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing a switching element according to an embodiment.
FIG. 2 is a vertical sectional view of FIG.
FIG. 3 is a vertical sectional view showing a state in which migrating particles migrate upward in the switching element of FIG. 2;
4 (a) and 4 (b) are cross-sectional views illustrating a process for manufacturing the switching element of FIG. 1. FIG.
5 (a), 5 (b), and 5 (c) are perspective views for explaining a step following FIG. 4 (a).
FIGS. 6 (a) and 6 (b) are perspective views for explaining steps following FIGS. 5 (a), 5 (b) and 5 (c).
FIG. 7 is a circuit diagram of a switching circuit using the switching element of FIG.
8A is a circuit diagram showing a circuit equivalent to a first operation state of the circuit of FIG. 7, and FIG. 8B is a circuit diagram showing a second operation state of the circuit of FIG. FIG. 3 is a circuit diagram showing an equivalent circuit.
FIG. 9 is a diagram illustrating characteristics of the switching element according to the first embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating characteristics of the switching element according to the second embodiment.
FIG. 11 is a diagram illustrating characteristics of the switching element according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st electrode, 21 ... 2nd electrode, 22 ... 3rd electrode, 23 ... Insulator, 30 ... Spacer, 40 ... Electrophoretic medium, 50 ... Electrophoretic particle, 80 ... DC power supply, 100 ... Switching element, 200 ... Switching Circuit, R1 ... load.

Claims (10)

第一電極と、
第二電極、第三電極、及び、前記第二電極と前記第三電極とを電気的に絶縁する絶縁体を有し、前記第二電極、前記第三電極、及び、前記絶縁体が各々前記第一電極と対面する構造体と、
前記第一電極と前記構造体との間に介在する電気的に絶縁性の泳動媒体と、
前記泳動媒体内に存在し、帯電を呈して電界に応じて電気泳動すると共に、電気を導電可能であり、さらに、電界が印加されない場合に前記泳動媒体内を浮上又は沈降する、多数の泳動粒子と、を備えるスイッチング素子。
A first electrode;
A second electrode, a third electrode, and an insulator that electrically insulates the second electrode and the third electrode, wherein the second electrode, the third electrode, and the insulator are each A structure facing the first electrode,
An electrically insulating electrophoretic medium interposed between the first electrode and the structure,
A large number of migrating particles that are present in the electrophoresis medium, exhibit electrophoresis in response to an electric field by exhibiting charge, can conduct electricity, and float or settle in the electrophoresis medium when no electric field is applied. And a switching element comprising:
前記構造体で前記第一電極に対面する部分は、平面とされている請求項1に記載のスイッチング素子。The switching element according to claim 1, wherein a portion of the structure facing the first electrode is a flat surface. 前記第一電極と前記構造体との間に挟まれ、前記第一電極と前記構造体との間に所定の閉空間を画成する絶縁性のスペーサを備え、前記泳動媒体及び前記泳動粒子は前記閉空間内に導入された請求項1又は2に記載のスイッチング素子。An insulating spacer sandwiched between the first electrode and the structure and defining a predetermined closed space between the first electrode and the structure, the electrophoretic medium and the electrophoretic particles The switching element according to claim 1, wherein the switching element is introduced into the closed space. 前記泳動粒子は、非イオン系の表面処理剤によって表面処理されている請求項1〜3に記載のスイッチング素子。The switching element according to claim 1, wherein the migrating particles are surface-treated with a nonionic surface treatment agent. 前記泳動粒子は、その比抵抗が10Ω・cm以下である請求項1〜5の何れか一項に記載のスイッチング素子。The electrophoretic particles, the switching device according to any one of claims 1 to 5 that resistivity is less than 10 2 Ω · cm. 前記泳動粒子は、その比表面積が10〜100m/gである請求項1〜6の何れか一項に記載のスイッチング素子。The switching element according to claim 1, wherein the electrophoretic particles have a specific surface area of 10 to 100 m 2 / g. 前記泳動媒体は、40℃での動粘度が1×10−6〜100×10−6/sである請求項1〜7の何れか一項に記載のスイッチング素子。The switching element according to claim 1, wherein the electrophoretic medium has a kinematic viscosity at 40 ° C. of 1 × 10 −6 to 100 × 10 −6 m 2 / s. 前記泳動媒体は、5℃での密度が0.7〜2.0g/cmである請求項1〜8の何れか一項に記載のスイッチング素子。The switching element according to claim 1, wherein the electrophoretic medium has a density at 5 ° C. of 0.7 to 2.0 g / cm 3 . 前記泳動粒子の重量をAとし、前記泳動媒体の重量をBとしたときに、A/Bが0.01〜0.05である請求項1〜9の何れか一項に記載のスイッチング素子。The switching element according to any one of claims 1 to 9, wherein A / B is 0.01 to 0.05, where A represents the weight of the migrating particles and B represents the weight of the migrating medium. 第一出力端と第二出力端との間に所定の直流電圧を発生する直流電源に接続される回路であって、
請求項1〜9の何れか一項に記載のスイッチング素子と、
前記直流電源の第一出力端と、前記スイッチング素子の第二電極又は第三電極の何れか一方との間に接続された負荷とを備え、
前記スイッチング素子の第一電極は前記直流電源の第一出力端に接続され、前記スイッチング素子の第二電極又は第三電極の何れか他方は前記直流電源の第二出力端に接続されたスイッチング回路。
A circuit connected to a DC power supply that generates a predetermined DC voltage between the first output terminal and the second output terminal,
A switching element according to any one of claims 1 to 9,
A first output terminal of the DC power supply, and a load connected between one of the second electrode and the third electrode of the switching element,
A first electrode of the switching element is connected to a first output terminal of the DC power supply, and either the second electrode or the third electrode of the switching element is connected to a second output terminal of the DC power supply. .
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