JP2006294505A

JP2006294505A - リレー

Info

Publication number: JP2006294505A
Application number: JP2005115788A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Watanabe; 哲也渡辺
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2006-10-26
Also published as: US20060231148A1; US7137412B2

Abstract

【課題】マイクロマシン技術を用いて高信頼性で低コスト化を図った長寿命のリレーを実現する。
【解決手段】２枚の絶縁部材を張り合わせて形成された狭い絞りと広い絞りを有する流路と、前記絞りにより形成された複数の液体室と、これらの液体室のそれぞれに配置された複数の電極と、前記流路の両端に連通して配置された第１、第２の気体室と、これら第１、第２の気体室に封入された気体およびこの気体を加熱する加熱手段と、前記絶縁部材の一方に形成され前記流路に導通する穴と、
からなり、前記穴から前記流路に導電流体を導入すると共にこの穴の導入口を封止した。
【選択図】図１

Description

本発明は、導電流体（例えば水銀、ＧａＩｎ、ＧａＩｎＳｎ）を用いたリレーに関し、高信頼性と低コスト化をはかったリレーに関する。

従来よりリレーとして、金属接点を有するメカリレー、水銀リレー、リードリレーなどの有接点式リレーが用いられている。
リレーの大きな課題は接点寿命である。寿命が長く信頼性の高いリレーはさまざまな分野で求められているが決定的なものがないのが実状である。一方水銀リレーは信頼性は高いが、環境汚染の問題や高コストであることから敬遠されている。水銀リレーや水銀リレーに変わる半導体リレーの先行文献としては次のようなものがある。

特開平９− ６１２７５号公報特開平１１−７４５３９号公報

上記特許文献１に記載された技術は水銀リレー内に封入された水素ガスの圧力低下を検出する装置に関するものであり、特許文献２に記載された技術は接点導通／遮断時のオン抵抗と接点遮断／導通時の容量との積が低い半導体リレーに関するもので、低圧領域において低出力端子間容量で低オン抵抗を実現して、高周波信号での用途展開を可能としたものである。

一般的な水銀リレーは接点をガラス封着した容器の中に入れ、容器の中に入れた水銀により、接点が常に濡れているものであり、これにより接点の信頼性をあげている。
しかしコストは高く、廃棄する場合の環境への影響から敬遠されており本当に信頼性の必要な部分のみに限定的に用いられている。
本発明は信頼性の高い水銀リレーをマイクロマシン（microelectromechanical・systems＝MEMS）技術により形成することにより高い信頼性を実現するとともに、使用する導電流体（例えば水銀、ＧａＩｎ、ＧａＩｎＳｎ）の量を減らして環境への影響を少なくしたリレーを提供することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載のリレーの発明は、
２枚の絶縁部材を張り合わせて形成された狭い絞りと広い絞りを有する流路と、前記絞りにより形成された複数の液体室と、これらの液体室のそれぞれに配置された複数の電極と、前記流路の両端に連通して配置された第１、第２の気体室と、これら第１、第２の気体室に封入された気体およびこの気体を加熱する加熱手段と、前記絶縁部材の一方に形成され前記流路に導通する穴と、
からなり、前記穴から前記流路に導電流体を導入すると共にこの穴の導入口を封止したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のリレーにおいて、
前記複数の電極は一端が前記流路に封入された導電流体に接して配置され、前記電極の一端は前記加熱手段のオンオフに基づく前記気体の膨張／収縮により前記流路内を移動する導電流体に対して接触又は非接触となるように構成されたことを特徴とする。

請求項３記載のリレーの発明は、
２枚の絶縁部材を張り合わせて形成された狭い絞りと広い絞りを有する流路と、前記絞りにより形成された複数の液体室と、前記流路の両端に連通して配置された第１、第２の気体室と、これら第１、第２の気体室に封入された気体およびこの気体を加熱する加熱手段と、前記絶縁部材の一方に形成され前記流路に導通する穴と、
からなり、前記少なくとも２つの穴の少なくとも一方から前記流路に導電流体を導入し、この穴の導入口を導電部材で封止すると共に前記導電流体と導電部材が接するようにしたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のリレーにおいて、
前記２枚の絶縁部材は一方の面積が他方の面積より大きく（または小さく）形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のリレー。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載のリレーにおいて、
前記流路、電極、液体室および気体室はマイクロマシン（microelectromechanical・systems＝MEMS）
技術により形成したことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載のリレーにおいて、
前記導電流体は水銀、ＧａＩｎ、ＧａＩｎＳｎのいずれかを含み、前記気体は空気、窒素、アルゴン、水素、アンモニアのいずれかを含むことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明によれば次のような効果がある。
請求項１および２の発明によれば、
２枚の絶縁部材を張り合わせて形成された狭い絞りと広い絞りを有する流路と、絞りにより形成された複数の液体室と、これらの液体室のそれぞれに配置された複数の電極と、流路の両端に連通して配置された第１、第２の気体室と、これら第１、第２の気体室に封入された気体およびこの気体を加熱する加熱手段と、絶縁部材の一方に形成され流路に導通する穴を有し、この穴から流路に導電流体を導入すると共にこの穴の導入口を封止した。

そして、複数の電極は一端が流路に封入された導電流体に接して配置され、電極の一端は加熱手段のオンオフに基づく気体の膨張／収縮により流路内を移動する導電流体に対して接触又は非接触となるように構成ので、
１）可動部がなく接触不良もないので、高信頼性で長寿命のリレーが実現できる。
２）基板を用いて多数のリレーチップを同時に多数製造可能なため低コスト化を図ることができる。

請求項３の発明によれば、
２枚の絶縁部材を張り合わせて形成された狭い絞りと広い絞りを有する流路と、絞りにより形成された複数の液体室と、流路の両端に連通して配置された第１、第２の気体室と、これら第１、第２の気体室に封入された気体およびこの気体を加熱する加熱手段と、絶縁部材の一方に形成され流路に導通する穴と、
からなり、少なくとも２つの穴の少なくとも一方から流路に導電流体を導入し、この穴の導入口を導電部材で封止すると共に前記導電流体と導電部材が接するようにした。
この結果、流路の中の導電流体が電気的リード線として機能するので容易に低抵抗化を実現できる（請求項１のリレーでは金属薄膜を電気的リード線として使用していたため、電気抵抗を下げるためには膜厚を非常に厚くする必要があった。また、導電流体と接する接点電極の導電流体による耐融解性や、異種金属間の熱起電力の問題がある）。

請求項５、６の発明によれば、
流路、電極および室はマイクロマシン（microelectromechanical・systems＝MEMS）
技術により形成したので、流路の容積が小さく水銀の量を少なく（例えば１×１０^−６ｇ）することができる。その結果、環境への影響を少なくすることができ、蛍光灯一本分に相当する水銀（約０．１ｇ）で１万個のリレーを作製可能である。

図１（ａ〜ｃ）は、本発明の実施形態の一例を示す要部構成説明図で、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のａ−ａ‘断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のｂ−ｂ‘断面図である。但し、図１（ａ）の平面図は点線で表示すべき部分も実線で表示している。
これらの図において、第１基板１は絶縁体からなる矩形状のガラスで形成されている。この基板１上には並列状態で所定の間隔を隔てて金属薄膜からなる電極２ａ及び２ｂが形成され、これらの電極２ａ，２ｂ間には同形状の金属薄膜からなる電極２ｃが対向した状態で形成されている。これらの電極は棒状に形成され一端に電極パッド３ａ，３ｂ，３ｃが形成されている。基板１上には途中が櫛状に形成されたヒータ４ａ，４ｂが形成されている。

第２基板５は第１基板１と同様に矩形状に形成されたガラスであり、第１基板１の電極２やヒータ４が形成された面に接着などにより固定される。この第２基板５の固定面には横方向流路６が形成されるとともに、この流路の両端には流路６に連通して気体室７ａ，７ｂが形成されている。また横方向流路６には所定の間隔で狭い絞り８ａ，８ｄおよび広い絞り８ｂ，８ｃが形成されており、この実施例ではこれらの絞りにより横方向流路６を３つの液体室６ａ，６ｂ，６ｃに仕切った状態となるように形成されている。

また、第２基板５には基板の表面から電極２ａ，２ｂに対向する位置に垂直方向に２つの貫通孔１０ａ，１０ｂが形成され、これらの貫通孔１０ａ，１０ｂの底部には液体室６ａ，６ｃに連通する縦方向流路１１ａ，１１ｂが形成されている。

図１のリレーは、第１基板１と第２基板５の電極２及びヒータ４を形成した側と第２基板５の横方向流路６や気体室７ａ，７ｂを形成した側を合わせて気密に対向させた状態を示すもので、熱圧着や接着剤（図示省略）などにより接着したものである。

なお、この例では第２基板５は第１基板１に対して小さく形成されており、これらを接着した状態で第１基板１に形成した電極パッド部分（３ａ，３ｂ，３ｃ）およびヒータ４ａ，４ｂの両端のパッド部分（３ｄ，３ｅ）がはみ出す程度に形成されている。

そして、この例では電極２ａの先端は仕切られた液体室６ａに、電極２ｂの先端は仕切られた液体室６ｃに配置され、電極２ｃの先端は仕切られた液体室６ｂに電極２ａ，２ｂに対向するように配置されている。ヒータ４ａ，４ｂの櫛状部分４ａ，４ｂは気体室７ａ，7ｂに密封された状態で配置されている。

そして、横方向流路６を構成する液体室６ａ，６ｂ，６ｃには貫通孔１０ａ，１０ｂおよび縦方向流露１１ａ，１１ｂを介して導電流体１２（例えば水銀）が封入される。
その場合、右側の貫通孔１１ｂから導入した導電液体１２は、ちょうど横方向流路６の液体室６ｃに達したところで導入を停止する。

また、左側の貫通孔１１ａから導入した導電流体１２は横方向流路６の液体室６ａに達しても導入を続け、横方向流路６の中央の部屋が満たされるまで導入を行う。ここで横方向流路６とヒータ４ａ，４ｂが配置された気体室７ａ，7ｂとの間の絞り８ａ，８ｄは水銀の表面張力により気体室７ａ，7ｂ側に移動しない程度に狭い絞りとし、液体室６ａ，６ｂ，６ｃを繋ぐ絞り８ａ，８ｂ，８ｃは定常状態では水銀の表面張力により移動しないが導電流体に所定の圧力が印加されると移動可能な程度に形成されている。

気体室７ａ，７ｂ内には例えば空気や窒素ガスなどの気体が封入されている。なお、導電流体１２を導入する前に、導電流体の酸化を防止するために縦横方向流路６の内部を真空引きしたり、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを用いてパージを行うこともできる。また不活性ガスを流路内に導入した後に導電流体を導入して孔を塞ぐことにより不活性ガスの封入ができる。不活性ガスのかわりに水素や一酸化炭素などの還元性ガスを用いたり、不活性ガスと還元性ガスの混合ガスを用いたりすることにより更に酸化防止効果を上げることができる。

これらの酸化防止策は、導電流体として表面が酸化されやすいＧａＩｎＳｎを用いる場合は特に重要である。
上側の第２基板５の貫通孔１０ａ，１０ｂの周囲には電極が形成されており、はんだ付けあるいは銀ペーストなどの導電性接着材１３を用いて貫通孔１０ａ，１０ｂの入り口をふさぐ。

なお、定常状態では導電流体（例えば水銀）１２は液体流路６ａと６ｂ内に位置し、水銀の表面張力と絞り８ａ，８ｃにより図示の位置で安定している。この状態では接点電極２ａ，２ｃが導通状態となり、電極２ｂと２ｃはオフ状態となっている。

図２は気体室７ａ内のヒータ４に電源１４により通電し、ヒータ４の熱により気体室７ａ内の気体（空気や窒素ガスなど）を膨張させた状態を示している。
その結果、導電流体(水銀)１２に所定の圧力が印加され矢印Ａで示すように液体室６ａ側から液体室６ｂ，６ｃ側に移動する。その結果、電極２ａと電極２ｃはオフ状態となり、電極２ｃと電極２ｂがオン状態となる。
次にヒータ７ａの電源１４をオフとし、図示しない電源を用いてヒータ７ｂに通電すれ
ば図１の状態に戻る。

図３（ａ，ｂ，ｃ）は他の実施例を示すものである。この実施例においては図１に示す金属薄膜からなる電極２ａ，２ｂ，２ｃの代わりに流路を形成しこの流路に導電流体を充填して電極とする。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のａ−ａ‘断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のｂ−ｂ‘断面図である。なお、流路の構成以外は図１に示すものと同様なのでここでの説明は省略する。

第２基板５ａの一方の面には図１に示す電極パッド３ａ，３ｂ，３ｃの位置に電極パッド３ｄ，３ｅ，３ｆを形成し、これらの電極の上から貫通孔１０ｄ，１０ｅ，１０ｆを形成する。そして貫通した他方の面から液体室６ａ，６ｂ，６ｃに連通する縦方向流路１１ｄ，１１ｅ，１１ｆを形成する。

そして、図１に示すものと同様に第１基板１ａと張り合わせ、貫通孔から導電流体（例えば水銀、ＧａＩｎＳｎ合金）を導入する。この実施例では、３個の貫通孔のそれぞれから導電流体を導入するが、図３の右上の貫通孔１０ｅから導入した導電流体は、ちょうど液体室６ｃに達したところで導入を停止する。

左上および中央部下の貫通孔１０ｄ，１０ｆから導入した導電流体は液体室６ａ，６ｂに達しても導入を続け、図示のように左上孔の縦方向流路１１ｄからと中央部下孔の縦方向流路１１ｆからの導電流体が液体室６ａ，６ｂで合流するまで導入を行う。
なお、先に述べたようにこの実施例においても導電流体を導入する前に、導電流体の酸化を防止するために流路の内部を真空引きしたり、窒素やアルゴンなどの不活性ガスによるパージを行うこともできる。

また、不活性ガスを流路内に導入した後に導電流体を導入して孔を塞ぐことにより不活性ガスの封入ができる。不活性ガスのかわりに水素や一酸化炭素などの還元性ガスを用いたり、不活性ガスと還元性ガスの混合ガスを用いたりすることによりすることにより更に酸化防止効果を上げることができる。また、第２基板５ａの貫通孔１０ｄ，１０ｅ，１０ｆの周囲には電極パッド３ｄ，３ｅ，３ｆが形成されており、はんだ１３やあるいは銀ペースト（図示省略）などの導電性接着材を用いて貫通孔を封止する。

図４は気体室７ａ内のヒータ４に電源１４により通電し、ヒータ４の熱により気体室７ａ内の気体（空気や窒素ガスなど）を膨張させた状態を示している。
その結果、導電流体(水銀)１２が矢印Ａで示すように液体室６ａ側から６ｂ，６ｃ側に移動し、電極２ａと電極２ｃはオフ状態となり、電極２ｃと電極２ｂがオン状態となる。
この実施例においてもヒータ７ａの電源１４をオフとし、図示しない電源を用いてヒータ７ｂに通電すれば図３の状態に戻る。

上述の構成によれば、流路の中の導電流体が電気的リード線として機能するので容易に低抵抗化を実現できる。図１に示すリレーでは金属薄膜を電気的リード線として使用しているため、電気抵抗を下げるためには膜厚を非常に厚くする必要がある。また、導電流体と接する接点電極の導電流体による耐融解性や、異種金属間の熱起電力の問題がある。

図５は２電極型リレーの実施例を示す平面図である。この例においても第１基板１ｂと第２基板５ｂを張り合わせてリレーを作製するのは前述の図１および図３と同様なのでここでの断面図は省略する。
第２基板５ｂの一方の面には図１に示す電極パッド３ａおよびこの電極パッドに対向する位置に電極パッド３ｂを形成し、これらの電極の上から貫通孔１０ａ，１０ｂを形成する。そして貫通した他方の面から液体室６ａ，６ｂに連通する縦方向流路１１ｇ，１１ｈを形成する。

そして、図１に示すものと同様に第１基板１ｂと張り合わせ、貫通孔１０ａ，１０ｂから導電流体（例えば水銀、ＧａＩｎＳｎ合金）を導入する。この実施例では、例えば貫通孔１０ａから導電流体１２を導入し液体室６ａに達しても導入を続け、図示のように貫通孔１０ｂに達するまで導入を行う。

この場合、第１，第２気体室７ａ，７ｂと液体室６ａ，６ｂを繋ぐ狭い絞り８ａ，８ｃは導電流体は表面張力により移動しない程度の大きさに形成されており、液体室６ａ，６ｂを繋ぐ広い絞り８ｂは定常状態では移動しないが導電流体１２に所定の圧力が印加されると移動可能な程度の大きさに形成されている。
なお、先に述べたようにこの実施例においても導電流体を導入する前に、導電流体の酸化を防止するために流路の内部を真空引きしたり、窒素やアルゴンなどの不活性ガスによるパージを行うこともできる。

第２基板５ｂの貫通孔１０ａ，１０ｂの周囲には電極パッド３ａ，３ｂが形成されているので、図では省略するが先に述べたと同様にはんだ１３やあるいは銀ペースト（図示省略）などの導電性接着材を用いて貫通孔の入口を封止する。

図６は気体室７ａ内のヒータ４ａに電源１４により通電し、ヒータ４ａの熱により第１気体室７ａ内の気体（空気や窒素ガスなど）を膨張させた状態を示している。
その結果、導電流体(例えば水銀)１２が矢印Ａで示すように液体室６ａ側から６ｂ側に移動し、電極２ｇと電極２ｈはオフ状態となる。
この実施例においてもヒータ４ａの電源１４をオフとし、図示しない電源を用いてヒータ４ｂに通電すれば図５の状態に戻る。

図７は上述のリレーにおける貫通孔１０と縦および横方向の流路の製作工程を示す要部断面図である。
工程（ａ）において、第２基板（ガラス）５の所定の位置に電極３を形成する。
工程（ｂ）において、電極３の上から貫通孔を１０を形成する。この場合貫通孔１０の外周を取り囲んで電極３が十分に残るようにそれぞれの大きさを設計する。
工程（ｃ）において、電極３が形成された他方の面側に縦，横方向の流路を形成する。
工程（ｄ）において、第２基板５の流路を形成した側と第１基板１の一方の面を張り合わせる。
工程（ｅ）において、貫通孔１０の入口から導電流体１２を流し込みはんだ１３を用いて貫通孔１０の入口を封止する。

上述のリレーではマイクロマシン技術を用いて作製するので小型化が可能であり、流路の容積も小さくなり、封入する水銀も例えば１×１０^−５ｇ程度にすることができる（蛍光灯一本分に相当する水銀（約０．１ｇ）で１万個のリレーを作製可能である）ので環境への影響を少なくすることができる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば実施例では導電流体を水銀としたが、同様の機能を有するものであれば他の導電流体（例えばＧａＩｎ、ＧａＩｎＳｎ）でもよく、気体も空気や窒素以外のもの（例えば水素やアルゴン、アンモニアなど）でも良い。また、流路の形状、電極の形状、ヒータや液体，気体室の形状も図示のものに限定するものではない。
また、図1では３極の電極を示したが図５に示すような２極の電極でもよい。

また、基板はガラスとしたが絶縁性がありフォトリソグラフィやエッチングが可能であれば他の部材（例えばシリコン基板の表面に酸化膜や窒化膜を形成したもの）でも良く、形状も矩形に限るものではない。
また、本実施例ではヒータを用いて気体を膨張させたが、冷却手段（例えばペルチェ素子等）を用いて気体を収縮させて導電流体を移動させるようにしても良い。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明の実施形態の一例を示すリレーの要部構成説明図である。図１のリレーの動作を説明するための動作説明図である。他の実施例を示す要部構成説明図である。他の実施例のリレーの動作を説明するための動作説明図である。他の実施例を示す図である。他の実施例のリレーの動作を説明するための動作説明図である。本発明のリレーの製作工程の要部を示す図である。

符号の説明

１第１基板
２電極
３電極パッド
４ヒータ
５第２基板
６横方向流路
７気体室
８絞り
１０貫通孔
１１縦方向流路
１２導電流体
１３はんだ
１４電源

Claims

２枚の絶縁部材を張り合わせて形成された狭い絞りと広い絞りを有する流路と、前記絞りにより形成された複数の液体室と、これらの液体室のそれぞれに配置された複数の電極と、前記流路の両端に連通して配置された第１、第２の気体室と、これら第１、第２の気体室に封入された気体およびこの気体を加熱する加熱手段と、前記絶縁部材の一方に形成され前記流路に導通する穴と、
からなり、前記穴から前記流路に導電流体を導入すると共にこの穴の導入口を封止したことを特徴とするリレー。
前記複数の電極は一端が前記流路に封入された導電流体に接して配置され、前記電極の一端は前記加熱手段のオンオフに基づく前記気体の膨張／収縮により前記流路内を移動する導電流体に対して接触又は非接触となるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のリレー。
２枚の絶縁部材を張り合わせて形成された狭い絞りと広い絞りを有する流路と、前記絞りにより形成された複数の液体室と、前記流路の両端に連通して配置された第１、第２の気体室と、これら第１、第２の気体室に封入された気体およびこの気体を加熱する加熱手段と、前記絶縁部材の一方に形成され前記流路に導通する穴と、
からなり、前記少なくとも２つの穴の少なくとも一方から前記流路に導電流体を導入し、この穴の導入口を導電部材で封止すると共に前記導電流体と導電部材が接するようにしたことを特徴とするリレー。
前記２枚の絶縁部材は一方の面積が他方の面積より大きく（または小さく）形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のリレー。
前記流路、電極、液体室および気体室はマイクロマシン（microelectromechanical・systems＝MEMS）
技術により形成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のリレー。
前記導電流体は水銀、ＧａＩｎ、ＧａＩｎＳｎのいずれかを含み、前記気体は空気、窒素、アルゴン、水素、アンモニアのいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のリレー。