JP2005139901A

JP2005139901A - 回路切換えスイッチ

Info

Publication number: JP2005139901A
Application number: JP2001353749A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Takeuchi; 幸久武内; Nobuo Takahashi; 伸夫高橋; Iwao Owada; 大和田　　巌
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2001-11-19
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2005-06-02
Also published as: AU2002354058A1; US20040076531A1; WO2003044817A1

Abstract

【課題】作動流体が熱膨張しても、ポンプ室の破損、或いはシール破損が発生しない駆動デバイスを備えた回路切換えスイッチを提供すること。
【解決手段】駆動デバイス１０を含んでなる回路切換えスイッチ６０は、セラミックポンプ１８ａ，１８ｂを備え、同ポンプにより流路１３ａ内の作動流体１００を導電性の移動体１１０の左右で交互に加減圧して同移動体１１０を同流路１３ａ内で移動させ、切換え用電極６２ａ，６２ｂの何れか一方を共通電極６１と電気的に導通させる。微細流路１６ａ,１６ｂは、ポンプにより作動流体の圧力が急速に上下動するとき大きな流路抵抗を呈するので、流路内の圧力が内圧緩衝室１５ａへと逃げず、移動体が確実に移動する。一方、微細流路は、作動流体の熱膨張による緩慢な圧力上昇に対し小さな流路抵抗を呈するので、作動流体の膨張分を内圧緩衝室内に導いて作動流体の圧力上昇を抑制する。
【選択図】図２７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作動流体を利用して移動体を移動させる駆動デバイスを用いることにより、電気的経路の切換えを行う回路切換えスイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造技術に代表されるような材料の微細加工技術や、電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換しうる圧電材料等を用いて、数ミリから数十ミクロンサイズの微細なマイクロモーター、マイクロセンサー、及びマイクロスイッチ等の開発が進められている。それらの要素デバイスは、例えば、インクジェットプリンタヘッド、マイクロバルブ、フローセンサー、圧力センサー、記録ヘッド、トラッキングサーボ用アクチュエータ、オンチップ生化学分析、マイクロリアクタ、高周波部品、マイクロ磁気デバイス、マイクロリレー、加速度センサー、ジャイロ、駆動デバイス、ディスプレイ、光スキャナ、等々へ幅広く応用さ得る（日経マイクロデバイス誌２０００年７月号ｐｐ１６４−１６５）。
【０００３】
これらのマイクロマシンにおいては、駆動力として静電気力が多く使われる。また、圧電材料の電圧印加により生じる歪み変形を利用するもの、形状記憶合金の形状変形を利用するもの、及び液体が加熱によって相変態することにより生じる体積変化を利用するものなど、さまざまなタイプの駆動源が検討されている。ところが、機構を微細化するに従い、駆動源の発生力や駆動ストロークが極めて小さくなり、このため、一部の用途には梃子のような機械的増幅機構を組み合わせることが必要となってきた。
【０００４】
ところが、このような機械的増幅機構をマイクロマシンのサイズにまで微細化すると、通常のサイズでは問題とならない摩耗や固着等が大きな問題となる場合がある。また、梃子等の増幅機構（駆動機能）を有するマイクロマシンは、深さ（高さ）を有する立体構造の形成が必須となるので、微細加工に長時間を要したり、微細部品の組み立てに工数がかかるなどの理由により、量産化に適さないという問題を有する場合がある。
【０００５】
一方、このようなデバイスのうち、電気的スイッチ（又はリレー）として機能する回路切換えスイッチとしては、水銀の液滴を動かすことによりスイッチング動作を実現する水銀マイクロリレーであって、水銀液滴を動かす駆動力としてマイクロヒーターの加熱による瞬間的なバブル発生時の圧力を用いるタイプのものが研究されている（例えば、J. Kimら、Proc. 46th Annual Int. Relay Conf, Oak Brook, Il, Apr. 1998,pp.19-1-19-8.を参照。）。このスイッチは、周波数レンジが直流から１０ＧＨｚまでと広く、ＧＨｚ帯域での低い挿入損失と高い絶縁抵抗を有し、またシグナルバウンスが無い、といった様々な特徴を有するものとして、報告されている。
【０００６】
しかしながら、上記のバルブ発生型の水銀マイクロリレーは、加熱動作により蓄熱がなされる点、及び消費電力が大きいという問題を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、作動流体を利用したデバイスであって、マイクロマシンの小サイズや低消費電力の特徴を保ちつつ、磨耗や固着の問題を内在する機械的増幅機構をもたず、量産し易く、且つ、周囲温度の変動に伴う作動流体の漏洩が発生し難い回路切換えスイッチを提供することにある。また、本発明の他の目的は、蓄熱の問題がなく、高速切換え作動が可能な回路切換えスイッチを提供することにある。
【０００８】
【本発明の概要】
上記目的を達成するため、本発明の回路切換えスイッチは、非圧縮性の作動流体を収容するとともに同作動流体とは異なる物質からなる移動体を収容し、同移動体により実質的に一対の作動室に区画される流路を構成する流路構成部と、前記一対の作動室のそれぞれに連通するとともに前記作動流体が充填された各ポンプ室と、同各ポンプ室に対して備えられた各アクチュエータと、同各アクチュエータにより変形される各ダイヤフラムとを有し、同各ダイヤフラムの変形により同各ポンプ室内の作動流体を加圧又は減圧する一対のポンプと、前記作動流体と圧縮性の圧力緩衝用流体とを収容する内圧緩衝室を構成する内圧緩衝室構成部と、前記流路構成部の流路と前記内圧緩衝室構成部の内圧緩衝室とを連通するとともに、同流路内の作動流体の急激な圧力変動に対しては実質的に同作動流体の通過を不能とする大きな流路抵抗を示し、且つ、同流路内の作動流体の緩慢な圧力変動に対しては実質的に同作動流体の通過を可能とする小さな流路抵抗を示す微細流路を構成する微細流路部と、を備えてなる。この場合、前記微細流路は、前記流路構成部の流路と前記内圧緩衝室構成部の内圧緩衝室とを直接接続していてもよく、他の部分（例えば、流路とポンプ室とを接続する接続通路、或いは、ポンプ室）を介して前記流路構成部の流路と前記内圧緩衝室構成部の内圧緩衝室とを接続してもよい。また、ポンプは一対以上備えていてもよい。
【０００９】
これによれば、アクチュエータによりダイヤフラムが変形せしめられ、流路内の作動流体が加圧、又は減圧せしめられる。このとき、作動流体に急激な圧力変動を生ぜしめれば、微細流路は実質的に同作動流体の通過を不能とする大きな流路抵抗を示すので、同作動流体の圧力変化は流路内の移動体に伝達され、同移動体が移動する。一方、周囲温度の変化に伴う作動流体の熱膨張により、或はアクチュエータを緩慢に作動させること等により、作動流体に緩慢な圧力変動が生じると、微細流路は実質的に同作動流体の通過を可能とする小さな流路抵抗を示すので、同作動流体は同微細流路を介して圧縮性の圧力緩衝用流体を収容する内圧緩衝室に移動する。この結果、流路内の作動流体の圧力上昇が抑制されるので、同作動流体の過大な圧力によるデバイス（スイッチ）の破損、これによる作動流体の漏洩等が回避され得る。
【００１０】
この場合、前記アクチュエータは圧電／電歪膜又は反強誘電体膜と電極とからなる膜型圧電素子を含んでなり、前記ダイヤフラムはセラミックダイヤフラムであることが好適である。
【００１１】
これによれば、微細加工が一層容易になされ、量産性、及び耐久性に優れた回路切換えスイッチが提供され得る。
【００１２】
また、本発明による上記回路切換えスイッチは、前記流路構成部の流路の一部に露呈した第１切換え用電極と、前記流路構成部の流路の他の一部に露呈し前記第１切換え用電極と電気的に絶縁された第２切換え用電極と、これら第１切換え用電極と第２切換え用電極とに前記流路構成部の流路を挟んで対向するように（又は、流路内で移動体により接続されるように）同流路に露呈した電極（共通電極）とを備えるとともに、前記移動体は少なくとも表面が導電性材料からなるように構成されることが好適である。この場合、作動流体は非導電性を有することが必要である。
【００１３】
また、上記回路切換えスイッチは、前記流路構成部の流路の一部に露呈した第１切換え用電極と、前記流路構成部の流路の他の一部に露呈し前記第１切換え用電極と電気的に絶縁された第２切換え用電極と、前記第１切換え用電極と前記流路構成部の流路を挟んで対向するように（又は、流路内で移動体により接続されるように）同流路に露呈した電極と、前記第２切換え用電極と前記流路構成部の流路を挟んで対向するように同流路に露呈した電極とを備えるとともに、前記移動体は少なくとも表面が導電性材料からなるように構成されることが好適である。
【００１４】
なお、このようなスイッチにおいては、切換え用電極の数は少なくとも２つ以上であればよい。
【００１５】
これによれば、移動体の位置が、膜型圧電素子とセラミックからなるダイヤフラムとで構成されるポンプにより、第１切換え用電極と第２切換え用電極との間で移動され、その結果、電気回路（電気経路）が切換えられるので、マイクロヒーターの加熱による蓄熱の問題もなく、消費電力の小さい回路切換えスイッチが提供され得る。また、かかるポンプは高速作動が可能で、耐久性に優れているので、携帯情報端末等に適切な回路切換えスイッチが提供され得る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による回路切換えスイッチの駆動デバイス、及び回路切換えスイッチの各実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１７】
図１は、本発明による第１実施形態に係る駆動デバイス１０の縦断面図であり、図２は同駆動デバイス１０の平面図である。なお、図１は図２の１−１線に沿った平面にて同駆動デバイス１０を切断した断面図である。
【００１８】
この駆動デバイス１０は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向に沿って延びる各辺を有する略直方体形状のセラミックスからなる基体１１と、一対の圧電膜（圧電／電歪素子）１２ａ，１２ｂとを備えている。基体１１は、その内部に、流路構成部１３と、一対のポンプ室１４ａ，１４ｂと、内圧緩衝室構成部１５と、一対の微細流路部１６ａ，１６ｂとを含んでいる。
【００１９】
流路構成部１３は、Ｘ軸方向に長軸を有し、図１の２−２線に沿った平面（Ｙ−Ｚ平面に平行な平面）で基体１１を切断した断面図である図３に示したように、その断面が略長方形の流路１３ａを構成する部分である。流路１３ａの具体的な寸法を例示すると、前記略長方形断面の巾（Ｙ軸方向の長さ）Ｗは１００μｍ、深さ（Ｚ軸方向の長さ、即ち高さ）Ｈは５０μｍ、及び、長手方向の長さ（Ｘ軸方向の長さ）Ｌは１ｍｍである。流路１３ａ内には非圧縮性の作動流体（例えば、水、油等の液体）１００と、例えば、磁性材料、ガリウム合金の如き液体金属、水、油、不活性ガス等の前記作動流体１００とは異なる物質からなる移動体１１０とが収容されていて、同流路１３ａは、移動体１１０により実質的に一対の作動室１３ａ１，１３ａ２に区画されるようになっている。移動体１１０は、流路１３ａ内において一つの塊（液塊（液胞）、気泡、又は微小固体）の状態で存在し、図３に示したように、流路１３ａの前記断面である長方形の４つの角部に前記作動流体１００が通過し得る極めて小さな隙間Ｓを形成する。
【００２０】
ポンプ室１４ａは、作動流体１００が充填されたＺ軸方向に中心軸を有する円筒形を有する空間であって、その下面の一部が流路１３ａのＸ軸負方向端部に連通するように同流路１３ａの上方に形成された空間である。ポンプ室１４ａの具体的な寸法を例示すると、前記円筒の底面及び上面の半径Ｒは０．５ｍｍであり、深さ（高さ）ｈは１０μｍである。ポンプ室１４ａの上面には、厚さ（高さ）ｄが１０μｍのセラミックからなるダイヤフラム（ダイヤフラム部）１７ａが形成されている。
【００２１】
ポンプ室１４ｂは、ポンプ室１４ａと同一形状を有し、その下面の一部が流路１３ａのＸ軸正方向端部に連通するように同流路１３ａの上方に形成されていて、作動流体１００が充填されている。また、ポンプ室１４ｂの上面には、ダイヤフラム１７ａと同形のセラミックからなるダイヤフラム１７ｂが形成されている。
【００２２】
圧電膜１２ａは、前記ポンプ室１４ａ、及びダイヤフラム１７ａとともにセラミックポンプ１８ａを形成するものであって、厚さＤが２０ミクロンで、平面視における半径ｒがポンプ室の半径Ｒよりも僅かに小さい円形薄板形状を有している。この圧電膜１２ａは、前記ポンプ室１４ａの上方の位置にて、その円形底面の中心が平面視においてポンプ室１４ａの上面の中心と一致するように、同ダイヤフラム１７ａの上面に固定され、同圧電膜１２ａを挟むように形成された図示しない一対の電極に電圧が印加されたとき同ダイヤフラム１７ａを変形させることによりポンプ室１４ａの容積を増減し、ポンプ室１４ａ内部の作動流体１００を加減圧するようになっている。なお、圧電膜１２ａの分極方向はＺ軸正方向である。
【００２３】
圧電膜１２ｂは、圧電膜１２ａと同一のものであって、前記ポンプ室１４ｂ、及びダイヤフラム１７ｂとともにセラミックポンプ１８ｂを形成している。即ち、圧電膜１２ｂは、前記ポンプ室１４ｂの上方の位置においてダイヤフラム１７ｂの上面に固定され、図示しない電極に電圧が印加されたとき同ダイヤフラム１７ｂを変形させることによりポンプ室１４ｂの容積を増減し、ポンプ室１４ｂ内部の作動流体１００を加減圧するようになっている。なお、圧電膜１２ｂの分極方向もＺ軸正方向である。
【００２４】
内圧緩衝室構成部１５は、平面視でＸ軸方向に沿った長軸を有する略楕円形状を有し、そのＸ軸方向長さは流路１３ａの長さＬよりも長く、その短軸であるＹ軸方向の長さは流路１３ａの巾Ｗより長く、且つ、図３に示したように、その断面が略長方形の空間である内圧緩衝室１５ａを構成する部分である。内圧緩衝室１５ａは、流路１３ａの下方（Ｚ軸負方向）の基体１１内に、その長軸が流路１３ａの中心軸と平面視において一致するように形成されていて、内部のＸ軸方向略中央部には前記作動流体１００が満たされるとともに、周辺部には圧縮性の（作動流体１００よりも圧縮率が極めて低い）圧力緩衝用流体（以下、「圧縮性流体」とも称呼する。）１２０が満たされている。なお、本例においては、圧縮性流体１２０は作動流体１００の蒸気であるが、この蒸気に所定量の不活性ガスを混合しても良く、同蒸気を含まない気体等であってもよい。
【００２５】
微細流路部１６ａは、流路１３ａの左側の作動室１３ａ１と内圧緩衝室１５ａとを連通するＺ軸方向に伸びる中空円筒状の微細流路１６ａ１を構成する部分であって、同微細流路１６ａ１内にも作動流体１００が満たされている。微細流路１６ａ１の具体的な寸法を例示すると、前記円筒の半径は１５μｍで、Ｚ軸方向の長さ(円筒の高さ）は１００μｍである。この微細流路１６ａ１の形状は、流路１３ａに比較して流体抵抗が大きくなるような形状が選択されている。即ち、微細流路１６ａ１は、流路１３ａ内の作動流体１００の急激な圧力変動に対しては実質的に同作動流体１００の内圧緩衝室１５ａへの通過（移動）を不能とする大きな流路抵抗を示し、且つ、同流路１３ａ内の作動流体１００の緩慢な圧力変動に対しては実質的に同作動流体１００が同内圧緩衝室１５ａ内に通過（移動）できる（流入し得る）小さな流路抵抗を示す所謂絞り機能を備えている。
【００２６】
微細流路部１６ｂは、微細流路１６ａ１と同一形状の微細流路１６ｂ１を形成する部分であって、同微細流路１６ｂ１は流路１３ａの右側の作動室１３ａ２と内圧緩衝室１５ａとを連通するとともに、作動流体１００が満たされている。この微細流路１６ｂ１も、微細流路１６ａ１と同様な絞り機能を備えている。
【００２７】
以上、説明したように、流路１３ａ内部、一対のポンプ室１４ａ，１４ｂ内部、一対の微細流路１６ａ１,１６ｂ１内部、及び同一対の微細流路１６ａ１,１６ｂ１で流路１３ａに連通された内圧緩衝室１５ａの一部には、作動流体１００が連続的に満たされている。また内圧緩衝室１５ａの作動流体１００で満たされていない空間は、同作動流体１００の蒸気１２０によって満たされている。
【００２８】
次に、上記のように構成された駆動デバイス１０の作動について、各作動状態を示した図４〜図７を参照しながら説明する。図４は、圧電膜１２ａ，１２ｂの何れの電極にも駆動のための電圧が印加されていない駆動デバイス１０の初期状態を示している。この場合、両ポンプ室１４ａ，１４ｂは初期の容積を維持するから、両ポンプ室１４ａ，１４ｂ、及び流路１３ａに充填されている作動流体１００は加圧も減圧もされない。この結果、流路１３ａ内に収納された移動体１１０は初期位置（流路１３ａのＸ軸方向略中央部）で静止している。
【００２９】
駆動時においては、図５に示したように、ポンプ室１４ａのダイヤフラム１７ａ上に設置された圧電膜１２ａに対し、上部電極にプラス、下部電極にマイナスの極性の電圧を印加すると同時に、ポンプ室１４ｂのダイヤフラム１７ｂ上に設置された圧電膜１２ｂに対しては、逆に、上部電極にマイナス、下部電極にプラスの極性の電圧を印加する。
【００３０】
これにより、圧電膜１２ａは横方向に（即ち、Ｘ−Ｙ平面に略平行な面内にて、即ち、圧電膜１２ａの厚さＤ方向と垂直な方向に）収縮するため、ポンプ室１４ａ上のダイヤフラム１７ａが下方へ屈曲変形して同ポンプ室１４ａの容積を減少させる。この結果、ポンプ室１４ａ内の作動流体１００が加圧されてその圧力が増大し、同作動流体１００が流路１３ａの作動室１３ａ１内へ押し出される。同時に、圧電膜１２ｂは横方向へ（即ち、Ｘ−Ｙ平面に略平行な面内にて）膨張するため、ダイヤフラム１７ｂは上方へ屈曲変形してポンプ室１４ｂの容積を増大させる。この結果、ポンプ室１４ｂ内の作動流体１００の圧力が減圧されてその圧力が低下し、作動流体１００が流路１３ａの作動室１３ａ２から吸引される。従って、かかる両ポンプ室１４ａ，１４ｂ間の圧力差により、流路１３ａに収納された移動体１１０は、作動室１３ａ１（ポンプ室１４ａ）から作動室１３ａ２（ポンプ室１４ｂ）へ向けて（即ち、Ｘ軸正方向に）移動する。
【００３１】
また、図６に示したように、圧電膜１２ａに対し、上部電極にマイナス、下部電極にプラスの極性の電圧を印加すると同時に、圧電膜１２ｂに対し、上部電極にプラス、下部電極にマイナスの極性の電圧を印加すると、ポンプ室１４ｂ内の作動流体１００は加圧され、ポンプ室１４ａ内の作動流体１００は減圧される。移動体１１０は、この差圧によって作動室１３ａ２（ポンプ室１４ｂ）から作動室１３ａ１（ポンプ室１４ａ）へ向けて（即ち、Ｘ軸負方向に）移動する。
【００３２】
このような通常の駆動時においては、圧電膜１２ａ,１２ｂに印加する電圧を高速に変化させる（印加電圧の増減速度を大きくする）ことにより、ポンプ室１４ａ,１４ｂの加圧ならびに減圧を高速に行う。その結果、微細流路１６ａ１,１６ｂ１の流路抵抗は十分大きくなり、同流路１６ａ１，１６ｂ１内外に流路１３ａ内の作動流体１００が出入りすることがないので、流路１３ａの作動室１３ａ１と作動室１３ａ２との間に発生した圧力差は低下することなく（所謂、圧逃げが殆ど生ぜず）確実に移動体１１０に作用する。従って、移動体１１０は確実に移動する。
【００３３】
一方、駆動デバイスの環境温度が上昇して作動流体１００が熱膨張した場合、微細流路１６ａ１,１６ｂ１と内圧緩衝室１５ａとを備えていないデバイスにあっては、作動流体１００の圧力が過大となり、ポンプ室１４ａ,１４ｂの容積が増大してダイヤフラム１７ａ,１７ｂを押し上げて破損させたり、基体１１がセラミックスシートの接着組み立て体として構成されている場合には、その接着部（のシール）を破損させ、作動流体１００が漏れるという問題が発生する惧れがある。
【００３４】
これに対し、本発明の駆動デバイス１０は、微細流路１６ａ１,１６ｂ１と内圧緩衝室１５ａを有し、しかも、作動流体１００の温度上昇は緩慢に生じるので、同作動流体１００の圧力も緩慢に上昇する。従って、図７の矢印にて示したように、作動流体１００の温度上昇に伴う膨張分は、かかる緩慢な作動流体１００の圧力上昇に対して極めて低い流路抵抗を示す微細流路１６ａ１,１６ｂ１を介して内圧緩衝室１５ａへ流出する。内圧緩衝室１５ａ内では、作動流体１００の蒸気１２０が圧縮され圧力上昇が生じるものの、気体の圧縮率は液体の圧縮率より低いため、作動流体１００の圧力上昇は軽微である。従って、ポンプ室１４ａ,１４ｂの上面のダイヤフラム１７ａ,１７ｂが押し上げられて破損したり、接着組み立て部のシールが破損して作動流体１００の液漏れが発生するという事態が生じない。また、駆動デバイス１０の環境温度が低下して作動流体１００が収縮した場合、作動流体１００の温度低下も緩慢に生じるから、図８の矢印にて示したように、作動流体１００は微細流路１６ａ１,１６ｂ１を介して内圧緩衝室１５ａから流路１３ａに戻る。
【００３５】
このように、駆動デバイス１０は、微細流路１６ａ１,１６ｂ１と内圧緩衝室１５ａを備えていることにより、広い温度範囲で使用可能であって、信頼性、及び耐久性の高い駆動デバイスとなる。
【００３６】
次に、駆動デバイス１０が初期状態において移動体１１０の位置を微調整するために行う作動について、図９〜図１２を参照しながら説明する。いま、図９に示したように、初期状態で移動体１１０が圧電膜１２ａ側に偏った位置に静止しているとする。このような状態は、後述するような製造工程における移動体１１０を流路１３ａ中へ収納する工程にて、製造上のバラツキの範囲内で、あるいは作業ミス等により生じ得る。
【００３７】
この場合、まず図１０の時刻ｔ１〜ｔ２に示したように、圧電膜１２ａ,１２ｂ（の各電極）に対し高速に変化する印加電圧Ｖａ，Ｖｂをそれぞれ付与する。印加電圧Ｖａは、例えば１〜２０μ秒の間に絶対値が０Ｖから５０Ｖに昇圧する駆動電圧であり、上部電極がプラス、下部電極がマイナスの極性となる電圧である。同様に、印加電圧Ｖｂは、例えば１〜２０μ秒の間に絶対値が０Ｖから５０Ｖに昇圧する駆動電圧であり、上部電極がマイナス、下部電極がプラスの極性となる電圧である。これにより、図１１に示したように、ポンプ室１４ａによって作動流体は加圧され、ポンプ室１４ｂによって同作動流体１００は減圧されるので、移動体１１０は中央よりの位置へ（ポンプ室１４ｂの方向へ）移動する。この場合、付与する印加電圧Ｖａ，Ｖｂの変化速度が大きいので、微細流路１６ａ１,１６ｂ１の流路抵抗は十分大きくなり、同流路１６ａ１，１６ｂ１に流路１３ａ内の作動流体１００が出入りすることはない。
【００３８】
次いで、図１０の時刻ｔ２〜ｔ３に示したように印加電圧Ｖａ，Ｖｂを僅かな時間だけ一定に維持し、その後、時刻ｔ３〜ｔ４に示したように、印加電圧Ｖａ，Ｖｂの絶対値を、例えば０.１〜１秒程度かけて０Ｖまで緩慢に低下させる。この場合、微細流路１６ａ１,１６ｂ１の流路抵抗は小さくなるから、図１２に示したように、作動流体１００は流路１３ａの右側の作動室１３ａ２から微細流路１６ｂ１を介して内圧緩衝室１５ａ内に流れ込み、同内圧緩衝室１５ａから微細流路１６ｂ１を介して流路１３ａの左側の作動室１３ａ１に流れ込む。即ち、この場合、作動流体１００の圧力変化は、微細流路１６ａ１,１６ｂ１を介した圧逃げが生じるに十分な程度に緩慢な変化となり、ポンプ室１４ａ,１４ｂ、及び流路１３ａの内圧はほとんど変化しないので、移動体１１０をほぼ静止させた状態に保つことができる。或いは、時刻ｔ１〜ｔ２における電圧印加時の移動体１１０の移動量Ｌ０に対して、時刻ｔ３〜ｔ４における同移動体１１０の復帰量Ｌ１をその１０分の１程度（Ｌ１＝Ｌ０／１０）に抑える事ができる。
【００３９】
以上の作動を１回乃至複数回実行することにより、移動体１１０の初期位置を所望の位置とすることができる。また、図１０に例示した印加電圧Ｖａ，Ｖｂのピーク値Ｖｐ，−Ｖｐ、同印加電圧Ｖａ，Ｖｂをピーク値Ｖｐ，−Ｖｐにまで変化させる際の電圧変化速度、同印加電圧Ｖａ，Ｖｂをピーク値Ｖｐ，−Ｖｐから０Ｖへ変化させる際の電圧印加速度を選択することにより、移動体１１０の静止位置を所望の位置に制御することができる。
【００４０】
なお、上記の実施形態においては、圧電膜１２ａ,１２ｂに印加する電圧による同圧電膜１２ａ,１２ｂに加わる電界の方向を、正方向（この場合、Ｚ軸正方向）、及び負方向（Ｚ軸負方向）の両方向としているが、圧電膜１２ａ,１２ｂの分極と逆方向の電界は、抗電界を上回ると同分極を解くため、望ましくない場合がある。そこで、予めバイアス電圧を印加した状態を駆動デバイス１０の初期状態としておけば、分極と同方向の電界のみで同駆動デバイス１０を駆動することができる。即ち、例えば、下部電極の電位を基準電位の０（Ｖ）としておき、上部電極にバイアス電圧である２５（Ｖ）を与え、この状態を初期状態とする。そして、この状態から圧電膜１２ａ,１２ｂの何れか一方の上部電極の電位を５０（Ｖ）とすれば、その圧電膜には分極方向と同方向の電界が加わるために収縮するので、その下方のダイヤフラム１７ａ，又は１７ｂは下方に屈曲変形し、対応するポンプ室１４ａ，１４ｂの何れかは作動流体１００を加圧する。同時に、圧電膜１２ａ,１２ｂの他方の上部電極の電位を０（Ｖ）とすれば、同他方の圧電膜１２ａ,１２ｂの収縮が消滅する。従って、その下方のダイヤフラム１７ａ，又は１７ｂは前記初期状態からみて上方に変形することになり、対応するポンプ室１４ａ，１４ｂの何れかは作動流体１００を減圧する。
【００４１】
次に、上記第１実施形態の駆動デバイスの変形例について、図１３を参照して説明する。この変形例に係る駆動デバイス１０−１は、図１に示した駆動デバイス１０の基体１１が一対の微細流路１６ａ１,１６ｂ１を備えていたのに対し、基体１１−１が微細流路１６ａ１を一つだけ備えている点のみにおいて相違している。これは、移動体１１０と流路１３ａとのギャップ（図３に示した隙間Ｓ）の断面積が一定値以上確保出来る場合に採用しうる形態であり、このような構造によって微細流路の加工の労力及び時間が半分で済むので、駆動デバイス１０−１をより安価に製造することができる。ただし、この変形例では、電圧を印加していない初期状態における移動体１１０の静止位置を制御することは困難であり、その点においては第１実施形態の駆動デバイス１０の方が優れている。
【００４２】
なお、上述したギャップ（隙間Ｓ）に加えて、例えば、流路１３ａの断面図である図１４に示したように、流路１３ａの内面に微細な溝Ｍを形成し、作動流体１００の圧力変化が緩慢である限り同溝Ｍの中へ作動流体１００は侵入・流動できるが、移動体１１０の表面は侵入できないように構成しても良い。なお、この溝Ｍは、本発明の他の実施形態にも適用でき、その個数、形状は適宜選択することができる。
【００４３】
更に、上記駆動デバイス１０，１０−１（及び、後述する他の実施形態の駆動デバイス）の圧電膜１２ａ,１２ｂ、ダイヤフラム１７ａ,１７ｂ、及びポンプ室１４ａ,１４ｂには、例えば特開平１０−７８５４９号公報に開示されている表示装置用の圧電／電歪膜型アクチュエータを適用することができる。このアクチュエータは、小型で、且つ大きな加圧力を得ることができるので、本発明の駆動デバイスにとって好適である。また、図４乃至図６により説明した駆動を行う場合には、圧電膜１２ａ,１２ｂ用の圧電材料として抗電界の大きな材料を選択することが重要である。これは、圧電膜１２ａ,１２ｂの分極方向に対して逆方向の電圧が印加される状態が発生するからであり、抗電界が小さいと分極方向と逆向きの印加電圧により、分極が乱される惧れがあるからである。
【００４４】
また、環境温度の変化による作動流体１００の熱膨張収縮量を低く抑える為には、ポンプ室１４ａ,１４ｂの体積を必要最小限に小さく抑えることが望ましく、そのためには、上記圧電／電歪膜型アクチュエータの製造工程で用いるダイヤフラム基板の製造方法において、特開平９−２２９０１３号公報に開示されている方法を用いることが好適である。この開示された方法によれは、ポンプ室１４ａ,１４ｂの深さを最小５〜１０μｍ程度まで小さくすることが出来るからである。
【００４５】
次に、本発明の第２実施形態に係る駆動デバイス２０について、その製造方法を交えて具体的に説明する。図１５は係る駆動デバイス２０の縦断面図であり、図１６は同駆動デバイス２０の平面図である。なお、図１５は図１６の３−３線に沿った平面にて駆動デバイス２０を切断した断面を示している。また、以下において、各実施形態間で同一の構成部分には同一の符号を付し、その詳細説明を省略する。
【００４６】
この駆動デバイス２０は、上面に流路１３ａが露呈するように形成されてなる基体２１と、基体２１の上に形成されたセラミックス薄板体の接続板（連通基板）２２と、接続板２２の上部に配設された一対のセラミックポンプ２３ａ，２３ｂとを備えている。
【００４７】
接続板２２は、Ｘ軸方向に離間した位置に中空円柱状に形成された左右一対の流路連通孔２２ａ,２２ｂを備えている。流路連通孔２２ａ，２２ｂの各底面は流路１３ａのＸ軸方向両端部にてそれぞれ同流路１３ａと接続している。
【００４８】
セラミックポンプ２３ａ，２３ｂは、セラミックスからなる薄板体で、平面視で略正方形状のポンプ室構成部２４ａ，２４ｂと、同ポンプ室構成部２４ａ，２４ｂの各上面に固定された圧電膜２５ａ，２５ｂとをそれぞれ備えている。各ポンプ室構成部２４ａ，２４ｂは、第１実施形態の駆動デバイス１０のポンプ室１４ａ，１４ｂと同様な形状を有するポンプ室２４ａ１，２４ｂ１と、その上に形成される薄板状のダイヤフラム２６ａ，２６ｂと、ポンプ室２４ａ１，２４ｂ１の各底面の一部を前記流路連通孔２２ａ，２２ｂの各上面にそれぞれ連通する中空円筒状のポンプ室連通孔２４ａ２，２４ｂ２とを備えている。ポンプ室２４ａ１，２４ｂ１、及びポンプ室連通孔２４ａ２，２４ｂ２は、流路連通孔２２ａ，２２ｂ、及び流路１３ａ等と同様に、作動流体１００により満たされている。
【００４９】
このセラミックポンプ２３ａ，２３ｂは、先に引用した特開平１０−７８５４９号公報のほかに、特開平７−２１４７７９号公報に開示される方法や構成を用いて製造される圧電／電歪膜型アクチュエータであり、流路基板である基体２１、及び接続板２２の上に積層して形成されている。
【００５０】
駆動デバイス２０の移動体１１０を駆動（移動）するための作動は駆動デバイス１０と同様である。また、ポンプ室２４ａ１，２４ｂ１、ポンプ室連通孔２４ａ２，２４ｂ２、流路連通孔２２ａ，２２ｂ、及び流路１３ａ内に充填されている作動流体１００の熱膨張収縮に伴う内圧変化の吸収における作動についても、先の駆動デバイス１０と同様である。
【００５１】
次に、駆動デバイス２０の製造方法について説明する。先ず、圧電／電歪膜型アクチュエータであるセラミックポンプ２３ａ，２３ｂの製造工程について述べると、図１７に示したように、セラミックス製のグリーンシート２０１、２０２、２０３を準備する。次いで、グリーンシート２０２にはポンプ室２４ａ１（２４ｂ１）を形成するための窓部２０２ａを、グリーンシート２０３にはポンプ室２４ａ１（２４ｂ１）と流路１３ａとを流路連通孔２２ａ（２２ｂ）を介して流体的に接続するための前記ポンプ室連通孔２４ａ２（２４ｂ２）となる孔部２０３ａを、各々、打ち抜き等の機械加工により形成する。
【００５２】
次に、グリーンシート２０１、２０２、２０３を加圧加熱積層し、焼成することで一体化してダイヤフラム基板２０４を得る。次いでその基板２０４の上に、下部電極２０５と、特開平５−２６７７４２号公報に開示されているような補助電極２０６とを、各々高融点金属で、例えばスクリーン印刷等の厚膜形成手法で形成し、必要に応じて焼成等の熱処理を施す。その上へ、同じく厚膜形成手法で圧電膜２０７を形成した後、最後に上部電極２０８を形成する。なお上部電極２０８に関しては、厚膜手法の他、スパッタ等の薄膜形成手法も適宜選択可能である。以上により、セラミックポンプ２３ａ，２３ｂに相当する部分が製造される。
【００５３】
図１８は、上記セラミックポンプ２３ａ，２３ｂに相当する部分を製造する別の製造方法を示している。この方法では、ダイヤフラム基板の製造工程において、上記グリーンシート２０２の代わりに、グリーンシート２０３の上面にスペーサー層２０２ｂを前記ポンプ室２４ａ１（２４ｂ１）を形成するための窓部２０２ａを有するようにスクリーン印刷で形成する。他は、上記図１７により説明した製造方法と同様である。なお、本製造方法の詳細は特開平９−２２９０１３号公報に開示される技術が好適に使用可能であり、これにより、ポンプ室２４ａ１（２４ｂ１）の深さ（組み立て状態における中空円筒のＺ軸方向高さ）を１０μｍ程度にまで小さくできるので、容積の小さいポンプ室２４ａ１（２４ｂ１）を有するダイヤフラム基板（即ち、セラミックポンプ２３ａ，２３ｂ）を得ることができる。
【００５４】
次に、図１９を参照しながら、基体（流路基板）２１の製造方法について説明する。先ず、プラスチック、ガラス、金属、及びセラミックス等の中から適当な材料を選択して基板２１１、２１２、２１３を製作し、各々に流路１３ａ、微細流路１６ａ１,１６ｂ１、及び内圧緩衝室１５ａを形成する。また、基板２１３には、同基板２１３に形成される内圧緩衝室１５ａの下面から同基板２１３の下面まで貫通する作動流体注入孔２１３ａを形成する。かかる基板２１１〜２１３に対する流路等の形成を行うための加工は、打ち抜き、エッチング、レーザー加工、コインニング、及びサンドブラスト等の中から適当な加工方法を選択する。次いで、このようにして得られた基板２１１〜２１３をエポキシ樹脂等で積層接着することで、基体２１を製造する。
【００５５】
なお、上記基板２１１〜２１３の材料としては、圧電／電歪膜型アクチュエータであるセラミックポンプ２３ａ，２３ｂと熱膨張率が極力一致するように、例えば、膨張率の近いガラス、又はセラミック基板が好適である。また、流路１３ａの加工、及び深さ２００ミクロンの内圧緩衝室１５ａを形成する凹部加工には、エッチング、又はコインニングを用いることが好適である。或いは、流路１３、又は内圧緩衝室１５ａに相当する窓部を打抜き加工したプレートと、閉塞用プレートとを接合することで、流路１３ａ、又は内圧緩衝室１５ａを形成した基板２１１，２１３を得ることもできる。一方、高アスペクト比加工が必要な微細流路１６ａ１,１６ｂ１の加工は、レーザー加工によるか、又はセラミックスのグリーンシートに高アスペクト比の孔を打ち抜き加工した後に焼成するといった手法が好適である。
【００５６】
一方、図２０に示したように、基板２１１と同様にして、接続板２２となる接続基板２１４に一対の流路連通孔２２ａ，２２ｂを形成しておき、最後に、セラミックポンプ２３ａ，２３ｂ（圧電／電歪膜型アクチュエータ）と、接続基板２１４、及び基体２１を接着、圧接、拡散接合等の結合手段で積層一体化する。
【００５７】
このとき、流路１３ａの所定の位置へ移動体１１０を収納する。移動体１１０が液胞（液体の塊）である場合、作動流体１００は同液胞に対して非溶性の材料を選択し、移動体１１０をディスペンサー等を用いて流路１３ａ内の所定の位置へ収納する。移動体が気泡の場合は、別途気体注入用の注入孔を流路１３ａから分岐して設置し、そこから同気泡と作動流体１００を注入し、その後注入孔を封止する。
【００５８】
そして、得られた積層体を真空チャンバー等で真空下に置き、注入孔２１３ａからディスペンサー等の計量手段で作動流体１００を所定量、内圧緩衝室１５ａへ注入する。なお注入時には、事前に作動流体１００を真空脱気して溶存気体を除去しておくことが望ましい。注入した作動流体１００が微細流路１６ａ１，１６ｂ１を介して流路１３ａおよびポンプ室２４ａ１，２４ｂ１等に充填されるよう、不活性ガス、作動流体１００の蒸気、又はそれらの混合ガス等の圧縮性流体である封止ガス１２０によって流路内の気圧を所定の気圧まで加圧し、最後に注入孔２１３ａを接着剤等で封止して、本発明の駆動デバイス２０を得る。
【００５９】
なお、内圧緩衝室１５ａの深さ（Ｚ軸方向高さ）は、ポンプ室２４ａ１,２４ｂ１、及び流路１３ａの各深さより深くしておくことが望ましい。これにより、形成される作動流体１００が液体である場合に、内圧緩衝室１５ａ内での液体の気液界面の曲率が上記充填中のポンプ室２４ａ１,２４ｂ１内、及び流路１３ａ内で形成される気液界面の曲率よりも大きくできるので、充填がよりスムーズに行い易くなる。
【００６０】
次に、本発明の第３実施形態に係る駆動デバイス３０について説明する。図２１に縦断面が示されたこの駆動デバイス３０は、図１５に示した上記第２実施形態の駆動デバイス２０において２つに分かれていたセラミックポンプ（圧電／電歪膜型アクチュエータ）２３ａ，２３ｂのポンプ室構成部２４ａ，２４ｂを一体化してなるポンプ室構成部２４ｃを備え、且つ、駆動デバイス２０が備える接続板２２を省略している点においてのみ、駆動デバイス２０と相違している。この駆動デバイス３０によれば、接着箇所、及び部品点数が減るので、製造コストを低減し得るという効果がある。ただし、図１５に示した駆動デバイス２０においては、接続板２２の材質を透明なガラス、又は電極を兼用できる金属板材とすることも可能であったが、図２１に示した駆動デバイス３０においては、接続板２２が存在せず、従って、ポンプ室構成部２４ｃの材質は圧電／電歪膜型アクチュエータのセラミック基板材質に限定される。
【００６１】
次に、本発明の第４実施形態に係る駆動デバイス４０について説明する。図２２に縦断面が示されたこの駆動デバイス４０においては、基体４１が図１５に示した上記第２実施形態の駆動デバイス２０の微細流路１６ａ１,１６ｂ１の代替として多孔質体１６ｃを備え、同多孔質体１６ｃを介して流路１３ａと内圧緩衝室１５ａとを接続している。多孔質体１６ｃを備えることは、いわば極度に微細化した多数の微細流路１６ａ１，１６ｂ１を形成することと同じ効果を奏する。多孔質体１６ｃは、組み立て性とシール性を向上するために、図２２に示したように、テーパー、又は段差を側面に備える形状とすることが好ましい。
【００６２】
次に、本発明の第５実施形態に係る駆動デバイス５０について説明する。図２３は係る駆動デバイス５０の縦断面図であり、図２４は同駆動デバイス５０の平面図である。なお、図２３は図２４の４−４線に沿った平面にて駆動デバイス５０を切断した断面を示している。この駆動デバイス５０は、図２１に示した駆動デバイス３０が備えるセラミックポンプ２３ｂの圧電膜２５ｂに代え、一対の圧電膜２５ｃ１，２５ｃ２を有するセラミックポンプ２３ｃを備えている。これらの圧電膜２５ｃ１，２５ｃ２の分極方向は、圧電膜２５ａと同様に、Ｚ軸正方向となっている。
【００６３】
この圧電膜２５ｃ１，２５ｃ２は、平面視でＹ軸方向に長軸を有する長円形状を有し、同長軸が互いに平行になるようにＸ軸方向に所定の距離を隔ててセラミックスの薄板体であるダイヤフラム２６ｂの上に固定されている。このダイヤフラム２６ｂの下方に形成されたポンプ室２７は、圧電膜２５ｃ１，２５ｃ２と同様に、平面視でＹ軸方向に長軸を有する長円形状を有している。そして、圧電膜２５ｃ１，２５ｃ２の各々は、平面視でポンプ室２７を挟むように、且つ同圧電膜２５ｃ１，２５ｃ２の半分程度の部分が、平面視でポンプ室２７とそれぞれ重なるように配設されている。
【００６４】
次に、このように構成された駆動デバイス５０の作動について説明する。この駆動デバイス５０においては、図２５に示したように、圧電膜２５ｃ１，２５ｃ２と、圧電膜２５ａとに同じ極性で電圧印加する。即ち、上部電極にプラス、下部電極にマイナスの極性の電圧であって、その電圧変化速度が大きい駆動電圧を印加する。これにより、ダイヤフラム２６ａは圧電膜２５ａの収縮により下方へ屈曲変形する。一方、ダイヤフラム２６ｂにあっては、圧電膜２５ｃ１,２５ｃ２が収縮するため、その中央部が上方に変位する。これにより、作動流体１００はポンプ室２４ａ１内で加圧され、ポンプ室２７内で減圧されるので、移動体１１０はポンプ室２４ａ１からポンプ室２７に向けて（Ｘ軸正方向に）移動する。
【００６５】
このような作動を行う圧電／電歪膜型アクチュエータ（セラミックポンプ）は、特開平７−２０２２８４号公報に開示されているものを用いることができる。この第５実施形態（駆動デバイス５０）では、第１〜第４実施形態と異なり、圧電膜２５ｃ１，２５ｃ２，２５ａへの印加電圧の極性は常に一定となることから、常に各圧電膜２５ｃ１，２５ｃ２，２５ａの分極電界と同じ極性で、同圧電膜２５ｃ１，２５ｃ２，２５ａを駆動することができる。このため、圧電膜２５ｃ１，２５ｃ２，２５ａに抗電界の低い材料を使用することが可能である。さらに、一対のポンプのうちの一つは加圧のみが可能、又は加減圧の双方が可能であって、他方のポンプは減圧のみが可能であるように駆動デバイスを構成し、そのように作動させた場合であっても、要求される機能・性能を十分満足できる場合がある。しかし、第１〜第４実施形態の駆動デバイス１０，２０，３０，４０におけるポンプ構造によると、電歪材料の膜は、前記減圧のみが可能なポンプの圧電膜としては、予めバイアス電圧を付与しておく等の駆動上の工夫なしには使用することができない。これは、電歪材料が、付与される電界と垂直な方向に収縮するものの、電界の向きに拘らず膨張することがないからであり、従って、ダイヤフラムを上方に屈曲変位できないからである。これに対し、本第５実施形態に係る駆動デバイス５０のポンプ２３ｃの圧電膜２５ｃ１,２５ｃ２は、収縮作用によりダイヤフラム２６ｂを上方に屈曲変位させ、ポンプ室２７内を減圧することができるので、電歪材料の膜を圧電膜２５ｃ１,２５ｃ２として、そのまま使用することができる。
【００６６】
なお、図２６に示したように、個々のデバイスの性能に応じ、適切な形状のポンプ室を備えた上記ポンプ２３ｃと同様なポンプ２３ｄを、必要な個数だけ設置しても良い。また、この場合、各ポンプを独立に駆動できるように構成することで、例えば、駆動するポンプ数を適宜変更して移動体１１０に加わる差圧を調整し、もって、同移動体１１０の移動量、及び／又は移動速度を制御するように構成してもよい。
【００６７】
次に、上記第１〜第５実施形態に示した回路切換えスイッチ（駆動デバイス）の応用例について説明する。図２７に示した回路切換えスイッチ６０は、上記駆動デバイス１０を含むとともに、白金、金、ニッケル等からなる共通電極６１と、同じく白金、金、ニッケル等からなる一対の切換え用電極６２ａ，６２ｂとを備えている。
【００６８】
共通電極６１は、流路１３ａを構成する壁面のうちの一つの壁面である下側壁面（Ｚ軸負方向側の壁面）１３ａ１に、微細流路１６ａ１と微細流路１６ｂ１との間の位置において同流路１３ａに露呈するように形成されていて、図示しない接続線（端子電極）によりその電位が切換えスイッチ６０の外部に取り出され、同切換えスイッチ６０の外部にて他の電気部品と電気的に接続されるようになっている。
【００６９】
切換え用電極６２ａ，６２ｂは、互いに同一の形状を有するとともに、流路１３ａを構成する壁面のうちの他の一つの壁面である上側壁面（Ｚ軸正方向側の壁面）１３ａ２に、同流路１３ａに露呈し、Ｘ軸方向に互いに距離を隔て、前記共通電極６１と対向するように形成されている。切換え用電極６２ａ，６２ｂは、互いに電気的に絶縁されていて、図示しない接続線（端子電極）により各電位が切換えスイッチ６０の外部に取り出され、同切換えスイッチ６０の外部にて他の電気部品と電気的に接続されるようになっている。なお、以下においては、切換え用電極６２ａを第１切換え用電極６２ａ、切換え用電極６２ｂを第２切換え用電極６２ｂと云う。
【００７０】
移動体１１０は、水銀やＧａ系合金等からなる導電性の液体金属であり、側面視において第１切換え用電極６２ａ（又は、第２切換え用電極６２ｂ）と略同一の大きさを有していて、共通電極６１に常に接触しながら流路１３ａ内を移動するとともに、第１切換え用電極６２ａ又は第２切換え用電極６２ｂと選択的に接触するようになっている。
【００７１】
次に、かかる切換えスイッチ６０の作動について説明すると、図２７に示したように、圧電膜１２ａ，１２ｂの何れの電極にも駆動のための電圧が印加されていない初期状態において、移動体１１０は第１切換え用電極６２ａと共通電極６１とに接触し、且つ第２切換え用電極６２ｂとは接触しない。これにより、第１切換え用電極６２ａと共通電極６１とが電気的に接続される。なお、このような初期状態における移動体１１０の位置は、図９〜図１２を参照して説明した方法により調整される。
【００７２】
一方、駆動時においては、図２８に示したように、図示しない制御回路により、圧電膜１２ａの上部電極にプラス、その下部電極にマイナスの極性の電圧が印加されるとともに、圧電膜１２ｂの上部電極にマイナス、その下部電極にプラスの極性の電圧が印加される。この駆動電圧によりポンプ室１４ａ，１４ｂが作動し、それにより発生される作動流体１００の圧力差により、移動体１１０は作動室１３ａ１（ポンプ室１４ａ）から作動室１３ａ２（ポンプ室１４ｂ）へ向け（即ち、Ｘ軸正方向に）第２切換え用電極６２ｂと接触する位置まで移動し、同第２切換え用電極６２ｂと共通電極６１とを電気的に接続する。
【００７３】
また、制御回路は、この状態から、圧電膜１２ａ，１２ｂの各電極に印加していた駆動電圧を消滅させる。この結果、ポンプ室１４ａ，１４ｂは初期状態に復帰するため、移動体１１０は、この復帰時に発生される作動流体１００の圧力差によって作動室１３ａ２から作動室１３ａ１へ向けて（即ち、Ｘ軸負方向に）第１切換え用電極６２ａと接触する位置まで移動し、同第１切換え用電極６２ａと共通電極６１とを再び電気的に接続する。
【００７４】
このように、切換えスイッチ６１は、移動体１１０を移動させることにより、第１切換え用電極６２ａ、及び第２切換え用電極６２ｂを共通電極６１と選択的に導通可能に接続する。移動体１１０は、第１切換え用電極６２ａ、及び第２切換え用電極６２ｂのそれぞれと濡れ性が良好であり、第１切換え用電極６２ａ、及び第２切換え用電極６２ｂが設けられていない流路１３ａの壁面とは濡れ性が良好でないから、初期状態、及び駆動時において第１切換え用電極６２ａ、及び第２切換え用電極６２ｂと確実に接触した状態を維持する。
【００７５】
次に、上記回路切換えスイッチ６０の具体的適用例について、図２９を参照しながら説明する。図２９に示したシステムは、上記切換えスイッチ６０と同様な回路切換えスイッチを二つ備え、これらのスイッチを、無線通信可能に構成されたＰＤＡ（Personal Digital Assistant）と称呼される携帯情報端末のダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ、及び送信／受信切換え用スイッチとして使用している。
【００７６】
具体的に説明すると、このシステムは、メインアンテナ３０１、ダイバーシティ・アンテナ３０２、切換えスイッチ６０と同一構造を有するダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３、切換えスイッチ６０と同一構造を有する送信／受信切換え用スイッチ３０４、パワーアンプ３０５、ＲＦ−ＩＦコンバータ３０６、ＩＦモデム３０７、ベースバンド・プロセッサ３０８を含んで構成されている。
【００７７】
メインアンテナ３０１、及びダイバーシティ・アンテナ３０２は、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３の第１切換え用電極３０３ａ、及び第２切換え用電極３０３ｂと、それぞれ電気的に接続されている。また、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３の共通電極３０３ｃは、送信／受信切換え用スイッチ３０４の共通電極３０４ｃに電気的に接続されている。送信／受信切換え用スイッチ３０４の第１切換え用電極３０４ａは、ＲＦ−ＩＦコンバータ（無線周波−中間周波変換器）３０６に電気的に接続され、第２切換え用電極３０４ｂはパワーアンプ３０５に電気的に接続されている。ベースバンド・プロセッサ３０８は、ＩＦモデム３０７を介してＲＦ−ＩＦコンバータ３０６に電気的に接続されるとともに、パワーアンプ３０５に電気的に接続されている。パワーアンプ３０５は、ＲＦ−ＩＦコンバータ３０６にも接続されている。また、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３、及び送信／受信切換え用スイッチ３０４の各圧電膜の上部電極、及び下部電極は図示を省略した制御回路に接続されている。
【００７８】
次に、このシステムの作動について説明すると、同システムが外部からの電波の受信を待っている「受信待ち受け状態」にある場合、制御回路はダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３の各圧電膜の上部電極及び下部電極に何らの駆動電圧も付与しない。この結果、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３は初期状態を維持し、その移動体３０３ｄは図２９に示した位置に留まって、第１切換え用電極３０３ａと共通電極３０３ｃとの接続状態を維持する。
【００７９】
また、制御回路は、受信待ち受け状態において、送信／受信切換え用スイッチ３０４の各圧電膜の上部電極及び下部電極に何らの駆動電圧も付与しない。この結果、送信／受信切換え用スイッチ３０４は初期状態を維持し、その移動体３０４ｄは図２９に示した位置に留まって、第１切換え用電極３０４ａと共通電極３０４ｃとの接続状態を維持する。
【００８０】
このように、本システムにおいては、受信待ち受け状態にある場合、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３、及び送信／受信切換え用スイッチ３０４により電力が一切消費されることなく、メインアンテナ３０１とＲＦ−ＩＦコンバータ３０６とが電気的に接続される。
【００８１】
受信時においては、制御回路はメインアンテナ３０１、及びダイバーシティ・アンテナ３０２の中から受信に適切なアンテナ（例えば、受信電波強度が大きいアンテナ）が何れであるかを決定し、決定されたアンテナがメインアンテナ３０１である場合、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３の各圧電膜の上部電極及び下部電極に何らの駆動電圧も付与しない。この結果、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３は初期状態を維持し、その移動体３０３ｄは図２９に示した位置に留まって第１切換え用電極３０３ａと共通電極３０３ｃとの接続状態を維持する。
【００８２】
他方、制御回路は、決定されたアンテナがダイバーシティ・アンテナ３０２である場合、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３の各圧電膜の上部電極及び下部電極に駆動電圧を付与する。この結果、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３の移動体３０３ｄは図２９において右方向に移動し、第２切換え用電極３０３ｂと共通電極３０３ｃとを電気的に接続する。これにより、ダイバーシティ・アンテナ３０４がＲＦ−ＩＦコンバータ３０６、又はパワーアンプ３０５に電気的に接続され得る状態となる。また、制御回路は、必要に応じて送信／受信切換え用スイッチ３０４の各圧電膜の上部電極及び下部電極に駆動電圧を付与し、これにより、移動体３０４ｄを図２９において左方に移動させ、同移動体３０４ｄと第２切換え用電極３０４ｂとを介して共通電極３０４ｃとパワーアンプ３０５とを接続する。この結果、受信信号の信号増幅が適宜行われる。なお、受信時には、常に送信／受信切換え用スイッチ３０４の各圧電膜の上部電極及び下部電極に駆動電圧を付与しないようにしておき、同スイッチ３０４を初期状態に維持していてもよい。
【００８３】
更に、上述した受信待ち受け状態においても、上記受信時のように適切なアンテナを選択するように構成してもよい。このように構成された場合であっても、少なくともメインアンテナ３０１が適切なアンテナであると決定（選択）されている場合、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３により電力が消費されることなく、受信待ち受け状態が維持される。
【００８４】
送信時においては、制御回路はダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３の各圧電膜の上部電極及び下部電極に何らの駆動電圧も付与せず、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３によりメインアンテナ３０１を送信用アンテナとして選択する。また、制御回路は、送信／受信切換え用スイッチ３０４の各圧電膜の上部電極及び下部電極に駆動電圧を付与し、これにより、移動体３０４ｄと第２切換え用電極３０４ｂとを介して共通電極３０４ｃとパワーアンプ３０５とを接続する。この結果、パワーアンプ３０５により増幅された送信信号がメインアンテナ３０１から発信される。もちろん、送信時においても、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３の各圧電膜の上部電極及び下部電極に駆動電圧も付与し、ダイバーシティ・アンテナ切換え用スイッチ３０３によりダイバーシティ・アンテナ３０２を適宜に選択してもよい。
【００８５】
次に、駆動デバイス２０と同様の駆動デバイス２０’を含んでなる本発明による回路切換えスイッチ７０について、図３０を参照しながら説明する。この切換えスイッチ７０は、駆動デバイス２０’に、切換えスイッチ６０と同様な共通電極７１と、第１切換え用電極７２ａと、第２切換え用電極７２ｂとを設けたものである。切換えスイッチ７０の作動は、切換えスイッチ６０の作動と同様である。
【００８６】
この切換えスイッチ７０の製造方法について説明すると、圧電／電歪膜型アクチュエータであるセラミックポンプ２３ａ，２３ｂは図１７、又は図１８に示した方法により製造される。基体２１’は、図３１に示した製造方法により製造される。図３１に示した製造方法は、図１９に示した製造方法に対し、基板２１１、基板２１２に相当する基板２１２’、及び基板２１３に相当する基板２１３’を積層して接着する前に、基板２１２’の上面に共通電極７１の電位を取り出すための端子電極７１ａ、第１切換え用電極７２ａの電位を取り出すための端子電極７２ａ１、及び第２切換え用電極７２ｂの電位を取り出すための端子電極７２ｂ１を、例えばスクリーン印刷等の厚膜形成手法で形成しておく点のみにおいて異なる。
【００８７】
次いで、図３２に示した製造方法により、切換えスイッチ７０が製造される。図３２に示した製造方法は、図２０に示した製造方法に対し、基板２１４に対応する基板２１４’の下面に、第１切換え用電極７２ａ、及び第２切換え用電極７２ｂを、例えばスクリーン印刷等の厚膜形成手法で形成する点と、セラミックポンプ２３ａ，２３ｂと、接続基板２１４’、及び基体２１’を接着、圧接、拡散接合等の結合手段で積層一体化する際に、第１切換え用電極７２ａ、及び第２切換え用電極７２ｂを、端子電極７２ａ１、及び端子電極７２ｂ１とそれぞれ導電性接着剤等を用いて電気的に接続する点とにおいてのみ相違している。このようにして、切換えスイッチ７０は製造される。
【００８８】
以上、説明したように本発明による駆動デバイスは、移動体１１０を液体金属の液滴とし、かつ流路１３ａの壁面に、外部と導線で接続した複数の電極６２ａ，６２ｂ等を設置することにより、小型のスイッチ、又は小型のリレーを構成することができる。
【００８９】
このようなスイッチとしては、水銀の液滴を動かすことによりスイッチング動作を実現する水銀マイクロリレーであって、水銀液滴を動かす駆動力としてマイクロヒーターの加熱による瞬間的なバブル発生時の圧力を用いるタイプのものが研究されている（例えば、J. Kimら、Proc. 46th Annual Int. Relay Conf, Oak Brook, Il, Apr. 1998,pp.19-1-19-8.を参照。）。このスイッチは、周波数レンジが直流から１０ＧＨｚまでと広く、ＧＨｚ帯域での低い挿入損失と高い絶縁抵抗を有し、またシグナルバウンスが無い、といった様々な特徴を有するものとして、報告されている。
【００９０】
このスイッチに対し、上記説明した本発明による切換えスイッチは、液体金属の液滴である移動体１１０の駆動力として圧電／電歪膜型アクチュエータを用いている。その結果、前述のバブル発生時の圧力を用いるタイプの水銀マイクロリレーと比較して、蓄熱がなく低消費電力であるという利点を有する。従って、本発明による切換えスイッチは、上記図２９を参照して説明したように、例えば近年高機能化と無線通信対応が進んできたＰＤＡにおいて、受信／発信（送信）兼用のアンテナを切換えるアンテナ切換え用スイッチ、及び発信（送信）回路と受信回路の何れかをアンテナに切換え接続するための回路切換え用スイッチ等として好適に用いる事ができる。
【００９１】
本発明による切換えスイッチを上述の用途等に用いた場合、従来の半導体スイッチとは異なり、（ａ）受発信しない場合に待機電力が不要であり、システム全体の消費電力低減、電池駆動時間の延長が可能、（ｂ）１ＧＨｚ以上、さらには５ＧＨｚ以上といった高周波数帯域の送受信信号に対しても劣化が全く無い、といった利点が得られる。また、水銀湿式リードスイッチと比較しても、本発明による切換えスイッチは、使用する際の傾斜角度の制限が無く、かつ駆動部（ポンプ室等の可動部）がセラックスで一体化されているためにはるかに高い長寿命を有するという利点を備える。
【００９２】
なお、上述した切換えスイッチ６０（７０）においては、共通電極６１（７１）は一体となっているが、図３３に示したように、共通電極を第１切換え用電極６２ａ（７２ａ）、及び第２切換え用電極６２ｂ（７２ｂ）に対応させて分割し（即ち、第１切換え用電極６２ａに対向する電極６１ａと、第２切換え用電極６２ｂに対向する電極６１ｂとを設け）、分割した電極６１ａ，６１ｂを駆動スイッチ６０（７０）の外部において電気的に接続する構成とした方がより好ましい。このようにすれば、電極表面に対して濡れ性の高い水銀等の移動体１１０が流路１３ａ内を移動する際の抵抗が低くなるからである。
【００９３】
以上、説明したように、本発明の各実施形態、及びその変形例によれば、マイクロマシンの小サイズや低消費電力の特徴を保ちつつ、磨耗や固着の問題を内在する機械的増幅機構をもたず、量産し易い駆動デバイス、及び同駆動デバイスを用いた回路切換えスイッチを提供することができた。また、周囲温度が上昇した場合でも、デバイス（スイッチ）の破損が生じないので、信頼性、及び耐久性の高い駆動デバイス（回路切換えスイッチ）を提供することができた。
【００９４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記回路切換えスイッチにおいては、切換え用電極が２つであったが、同切換え用電極は２つ以上であってもよい。また、切換え用電極、及び共通電極は、流路１３ａに露呈するとともに互いの絶縁が維持される限り、例えば、切換え用電極と共通電極を対向する側壁面に設けたり、切換え用電極を側壁面に、共通電極を低壁面又は上壁面に設ける等、同流路１３ａのどのような壁面に設けてもよい。
【００９５】
更に、例えば、本発明で開示している各駆動デバイスの基本構成を基に、ダイヤフラムを変形させる圧電／電歪材料膜を、反強誘電体材料膜（反強誘電体膜）に置き換えることができる。さらには、マイクロマシン研究で盛んに研究されている、ギャップを介して対向する電極間に生じる静電力や、通電加熱により形状記憶合金に生じる変形力を、圧電膜の変形力に代えて使用し、これらの力によりダイヤフラムを変形させてもよい。そのような構成においても、上記実施形態のように、上記微細流路１６ａ１，１６ｂ１，１６ｃと内圧緩衝室１５ａとを組み合わせることにより、環境温度の変化による駆動デバイスの破損を防止でき、しかも、駆動電圧（印加電圧）の制御によって初期状態での移動体の位置を制御できる。
【００９６】
なお、本発明による駆動デバイスは、例えば、所謂ロッドレスシリンダーを、マイクロマシン化するためのデバイスに用いることができる。ロッドレスシリンダーは、例えば米国特許３,７７９,４０１に開示されるように、シリンダー稼動部が完全に密封されていて、密封された空間中で動く稼動部（本願でいう移動体）と磁力により結ばれた作動部が密封空間の外部で往復運動を行い、同可動部の動きを当該ロッドレスシリンダーの系外に及ぼすことができるものである。
【００９７】
従って、本発明の移動体１１０を磁性体で形成し、外部に移動体１１０と磁力により結ばれた作動部を形成すれば、本発明による駆動デバイスを適用したマイクロ・ロッドレスシリンダーを得ることができる。また、流路１３ａ内に微小な電極（検出電極）を随所に設け、移動体１１０を導電性の磁性体により形成することにより、移動体１１０の位置を同電極の「オン（閉成）」又は「オフ（開放）」により検知することが可能となるので、これを利用してマイクロ・ロッドレスシリンダーのストローク位置を制御することもできる。
【００９８】
また、本発明による駆動デバイスは、単に機械的な物体移動を目的とするマイクロモーターのような用途のみならず、各種マイクロマシンに見られるような、広範囲な用途に応用可能である。例を挙げると、例えば流路１３ａを形成する壁面の一部ないし全体に透光性を有する材質を選択し、移動体１１０を気泡、有色液体、蛍光液体の液胞、又は光反射可能な微小金属体などで構成すれば、光学ディスプレイ素子を得ることもできる。更に、外部から磁気的、光学的、又は電気的手段等により移動体１１０の位置を検知することにより、本発明による駆動デバイスをメモリー素子として使用することもできる。また、移動体１１０に振動運動を行わせつつ、その運動にコリオリ力等の外力が及ぼす影響を電気的あるいは光学的等の手段によりセンシングすることで、ジャイロ等のセンサを形成することもできる。
【００９９】
なお、本発明による上記駆動デバイス（回路切換えスイッチ）は、流路（１３ａ）を有する基板（１１，２１，４１）に、圧電／電歪膜ないし反強誘電体膜と電極とからなる膜型圧電素子とセラミックダイヤフラムとを有するセラミックポンプ（２３ａ，２３ｂ，２３ｃ）を有し、当該流路は当該セラミックポンプ間をつなぐ形状で形成されるとともに、移動させるべき気泡ないし液胞あるいは微小固体である移動体（１１０）と液体（１００）とが収納されており、また当該流路には、当該セラミックポンプによって高速に加圧ないし減圧した場合には、流体の出入速度が遅いために加圧ないし減圧に対する低減効果を時間遅れを伴って示す一方、低速加圧ないし低速減圧時には流体が出入することで流路内の圧力変動を実質的にゼロに抑える緩衝効果を示す微細流路（１６ａ１，１６ｂ１，１６ｃ）と、その他方の端に緩衝空間（１５ａ）を有することを特徴とするものと云うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る駆動デバイスの断面図である。
【図２】図１に示した駆動デバイスの平面図である。
【図３】図１に示した駆動デバイスを図１の２−２線に沿った平面で切断した断面図である。
【図４】図１に示した駆動デバイスの初期状態を示した断面図である。
【図５】図１に示した駆動デバイスの作動状態を示した断面図である。
【図６】図１に示した駆動デバイスの別の作動状態を示した断面図である。
【図７】図１に示した駆動デバイスの周囲温度上昇時における作動流体の流れを示した断面図である。
【図８】図１に示した駆動デバイスの周囲温度下降時における作動流体の流れを示した断面図である。
【図９】図１に示した駆動デバイスの移動体の位置を微調整する際の作動を説明するための図である。
【図１０】図１に示した駆動デバイスの移動体の位置を微調整するために同駆動デバイスの圧電膜に印加する電圧波形を示したタイムチャートである。
【図１１】図１に示した駆動デバイスの移動体の位置を微調整する際の作動を説明するための図である。
【図１２】図１に示した駆動デバイスの移動体の位置を微調整する際の作動を説明するための図である。
【図１３】図１に示した駆動デバイスの変形例の断面図である。
【図１４】図１に示した駆動デバイスの流路の変形例を示す同流路の断面図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る駆動デバイスの断面図である。
【図１６】図１５に示した駆動デバイスの平面図である。
【図１７】図１５に示した駆動デバイスの圧電／電歪アクチュエータの製造工程を説明する概念図である。
【図１８】図１５に示した駆動デバイスの圧電／電歪アクチュエータの別の製造工程を説明する概念図である。
【図１９】図１５に示した駆動デバイスの製造工程を説明する概念図である。
【図２０】図１５に示した駆動デバイスの製造工程を説明する概念図である。
【図２１】本発明の第３実施形態に係る駆動デバイスの断面図である。
【図２２】本発明の第４実施形態に係る駆動デバイスの断面図である。
【図２３】本発明の第５実施形態に係る駆動デバイスの断面図である。
【図２４】図２３に示した駆動デバイスの平面図である。
【図２５】図２３に示した駆動デバイスの作動状態を示した断面図である。
【図２６】本発明の第５実施形態に係る駆動デバイスの変形例の平面図である。
【図２７】本発明による回路切換えスイッチの一実施形態の初期状態を示した断面図である。
【図２８】図２７に示した回路切換えスイッチの駆動状態を示した断面図である。
【図２９】図２７に示した回路切換えスイッチを携帯情報端末に適用したシステムのブロックである。
【図３０】本発明による回路切換えスイッチの他の実施形態の初期状態を示した断面図である。
【図３１】図３０に示した回路切換えスイッチの製造工程を説明する概念図である。
【図３２】図３０に示した回路切換えスイッチの製造工程を説明する概念図である。
【図３３】本発明による回路切換えスイッチの他の実施形態の初期状態を示した断面図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０，５０…駆動デバイス、６０，７０…回路切換えスイッチ、１１，２１，２１’、４１…基体、１２ａ，１２ｂ…圧電膜、１３…流路構成部、１３ａ…流路、１３ａ１，１３ａ２…作動室、１４ａ，１４ｂ…ポンプ室、１５…内圧緩衝室構成部、１５ａ…内圧緩衝室、１６ａ，１６ｂ…微細流路部、１６ａ１，１６ｂ１…微細流路、１７ａ，１７ｂ，２６ａ，２６ｂ…ダイヤフラム、１８ａ，１８ｂ…セラミックポンプ、２１…基体、２２…接続板、２２ａ，２２ｂ…流路連通孔、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…セラミックポンプ、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ…ポンプ室構成部、２４ａ１，２４ｂ１…ポンプ室、２４ａ２，２４ｂ２…ポンプ室連通孔、２５ａ，２５ｂ…圧電膜、６１，７１…共通電極、６２ａ，６２ｂ，７２ａ，７２ｂ…切換え用電極、１００…作動流体、１１０…移動体、１２０…圧力緩衝用流体（蒸気、圧縮性流体、封止ガス）。

Claims

非圧縮性の作動流体を収容するとともに同作動流体とは異なる物質からなる移動体を収容し、同移動体により実質的に一対の作動室に区画される流路を構成する流路構成部と、
前記一対の作動室のそれぞれに連通するとともに前記作動流体が充填された各ポンプ室と、同各ポンプ室に対して備えられた各アクチュエータと、同各アクチュエータにより変形される各ダイヤフラムとを有し、同各ダイヤフラムの変形により同各ポンプ室内の作動流体を加圧又は減圧する一対のポンプと、
前記作動流体と圧縮性の圧力緩衝用流体とを収容する内圧緩衝室を構成する内圧緩衝室構成部と、
前記流路構成部の流路と前記内圧緩衝室構成部の内圧緩衝室とを連通するとともに、同流路内の作動流体の急激な圧力変動に対しては実質的に同作動流体の通過を不能とする大きな流路抵抗を示し、且つ、同流路内の作動流体の緩慢な圧力変動に対しては実質的に同作動流体の通過を可能とする小さな流路抵抗を示す微細流路を構成する微細流路部と、
を備えた回路切換えスイッチ。
前記アクチュエータは圧電／電歪膜又は反強誘電体膜と電極とからなる膜型圧電素子を含んでなり、前記ダイヤフラムはセラミックダイヤフラムである請求項１に記載の回路切換えスイッチ。