JP2007066727A - 接点開閉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱駆動型の接点開閉装置に比較して接点を開閉する動作時間を短縮する。
【解決手段】導電性流体３を移動自在に収納する収納部２が設けられた半導体基板１と、収納部２内に露出する複数の接点４が設けられて半導体基板１の表面に接合される絶縁基板５と、半導体基板１の絶縁基板５との接合面と反対側の面に形成され半導体基板１を部分的に変形させて収納部２内で導電性流体３を移動させるアクチュエータ６とを備える。電圧を印加してアクチュエータ６にダイアフラム部１ｂを変形させると、空洞部２ａの容積が減少することで導電性流体３が溝部２ｂの先端側に移動して隣り合う接点４が導電性流体３を介して閉成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体金属のような導電性流体を介して接点を開閉する接点開閉装置に関するものである。

従来、液体金属のような導電性流体を介して接点を開閉する接点開閉装置が種々提案されている。例えば、特許文献１には、所定の体積を持ち、その内部の空気を加熱するヒータが設置されている能動貯蔵庫と、能動貯蔵庫と所定の間隔に離隔されてその内部にヒータが設置されている、同一な体積を持つ受動貯蔵庫と、能動貯蔵庫と受動貯蔵庫の間の空間に延長されて液体金属の移動路としての役割を果すチャンネルと、互いに離隔されてチャンネルの所定の領域で各々チャンネルの内部に一端が挿入され外部に伸びる第１信号電極と、第１信号電極と一定の間隔に離隔されて同一な形状で形成された第２信号電極と、チャンネルの内部に実装されて第１信号電極と第２信号電極の接点としての役割を果す液体金属と、半導体基板の上、下側面に接合された上、下部ガラス基板とを備え、ヒータに通電して能動貯蔵庫又は受動貯蔵庫内の空気を加熱して膨張させることでチャンネル内部の液体金属を移動させ、第１信号電極と第２信号電極とを液体金属を介して導通させるオン状態と導通させないオフ状態とを切り換えるようにした熱駆動型のマイクロリレーが開示されている。
特開平９−１６１６４０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来例は、能動貯蔵庫並びに受動貯蔵庫内の空気をヒータで加熱して膨張させることによってチャンネル内部の液体金属を移動させているので、ヒータの通電開始から液体金属が移動してオン・オフが切り換わるまでの時間（動作時間）が比較的に長くなって応答性が低いという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、熱駆動型のものに比較して接点を開閉する動作時間が短縮できる接点開閉装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、導電性を有する流体を移動自在に収納する収納部が設けられた半導体基板と、収納部内に露出する複数の接点が設けられて半導体基板の表面に接合される絶縁基板と、半導体基板の絶縁基板との接合面と反対側の面に形成され半導体基板を部分的に変形させて収納部内で導電性流体を移動させるアクチュエータとを備え、半導体基板においてアクチュエータにより変形させられる部分がダイアフラム状に形成されたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ダイアフラム状の部分は、半導体基板に設けられ且つアクチュエータが嵌合する嵌合凹所からなることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、アクチュエータは、金属薄膜と該金属薄膜の上に設けられる圧電体を有する圧電振動体からなることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、アクチュエータは、一対の圧電体の間に金属薄膜を挟み込んだバイモルフ型の圧電振動体からなることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、アクチュエータで半導体基板を部分的に変形させることにより収納部内で導電性流体を移動させるため、空気の熱膨張によって液体金属を移動させる熱駆動型の従来例に比較して接点を開閉する動作時間が短縮できるとともに、半導体基板の変形させられる部分の剛性を低下させてアクチュエータに必要な駆動力が低減できる。

請求項２の発明によれば、半導体基板に対するアクチュエータの位置決めが可能となる。

請求項３の発明によれば、圧電振動体の電極となる金属膜が半導体製造プロセスを利用して形成でき、圧電体に電極用のシムが不要となって製造コストが低減できる。

請求項４の発明によれば、ユニモルフ型の圧電振動体に比較して駆動力が大きくなり、動作時間がさらに短縮できる。

本実施形態の接点開閉装置は、図１に示すように導電性を有する流体３を移動自在に収納する収納部２が設けられた半導体基板１と、収納部２内に露出する複数の接点４が設けられて半導体基板１の表面に接合される絶縁基板５と、半導体基板１の絶縁基板５との接合面と反対側の面に形成され半導体基板１を部分的に変形させて収納部２内で導電性流体３を移動させるアクチュエータ６とを備える。

半導体基板１は単結晶のシリコン基板からなり、表面（図１（ｃ）における上面）には矩形溝状の凹部１ａが設けられ、裏面（図１（ｃ）における下面）には収納部２を形成するための凹所が設けられており、凹部１ａの底部分が薄膜状のダイアフラム部１ｂとなっている。但し、凹部１ａや凹所はエッチング等の周知の半導体製造プロセスを利用して形成可能である。

絶縁基板５は例えばガラス基板からなり、外形寸法が半導体基板１とほぼ同一であって半導体基板１の裏面に陽極接合によって接合されている。すなわち、絶縁基板５を半導体基板１の裏面に接合して凹所の開口を閉塞することにより、導電性流体３を収納する収納部２が形成されるのである。

収納部２は、図１（ｂ）に示すようにアクチュエータ６によるダイアフラム部１ｂの変形（撓み）に伴って容積が減少する空洞部２ａと、導電性流体３の移動方向に直交する断面の面積が空洞部２ａよりも狭く且つ一端側で空洞部２ａに連結するとともに他端側に複数の接点４が露出する溝部２ｂと、導電性流体３の移動方向に直交する断面の面積が空洞部２ａよりも狭く且つ一端側で空洞部２ａに連結するとともに他端側に導電性流体３を収納部２内に注入するための注入口２ｄが設けられた注入用溝部２ｃとを有する。空洞部２ａは、平面視略菱形に形成されて半導体基板１の厚み方向（図１（ｃ）における上下方向）においてダイアフラム部１ｂの直下に配置されている。溝部２ｂは、平面視略鈎形の幅細い形状に形成され、注入用溝部２ｃは、平面視略矩形の溝部２ｂよりも若干幅の広い形状に形成されている。なお、注入用溝部２ｃの先端部に設けられる注入口２ｄは、半導体基板１を厚み方向に貫通する形で注入用溝部２ｃに連通する円錐台形状に形成されており、導電性流体３が注入された後、ガラスにより短冊状に形成された蓋７で閉塞される。但し、注入口２ｄの形状の円錐台形状に限定されるものではなく、例えば円筒形状や角錐台形状等の他の形状でも構わない。

収納部２内に収納される導電性流体３は、常温常圧（２５℃、１気圧）で液体の金属（例えば、水銀）からなり、溝部２ｂの先端側に空気を閉じ込めるようにして注入口２ｄから注入用溝部２ｃを通して収納部２内に注入される。ここで、絶縁基板５には厚み方向に貫通する複数の貫通孔（スルーホール）５ａが溝部２ｂの先端側の部分に連通するようにして列設され、その内周面と底面（図１（ｅ）における上面）並びに開口端の周囲には半田めっき層が形成されており、溝部２ｂ内に露出する底面の半田めっき層が接点４を構成している。但し、半田の代わりに他の金属によってめっき層を形成しても構わない。また、図１（ｂ）に示すように絶縁基板５の裏面には一対の電極パッド８₁，８₂と、一方の電極パッド８₁と何れか２つの貫通孔５ａの半田めっき層とを接続する配線パターン９₁と、他方の電極パッド８₂と何れか残り２つの貫通孔５ａの半田めっき層とを接続する配線パターン９₂とが形成されている。ここで、溝部２ｂの先端側において導電性流体３の先端が停止する位置を高い精度で制御することは非常に困難であるので、本実施形態においては、２つの電極パッド８₁，８₂に接続される接点４を溝部２ｂに沿って交互に並べ、導電性流体３の停止位置に応じて不要な接点４に接続されている配線パターン９₁又は９₂の一部をレーザ等で切断するようにしている。このように導電性流体３の溝部２ｂ内における停止位置に応じて、配線パターン９₁又は９₂の一部をレーザ等で切断することで不要な接点４を電極パッド８₁又は８₂から切り離せば、導電性流体３の注入時に溝部２ｂ内における停止位置を高い精度で制御する必要がなくなるのである。

アクチュエータ６は扁平な棒状に形成された圧電振動子からなり、ダイアフラム部１ｂに密着する形で半導体基板１の凹部１ａ内に収納され、厚み方向に電圧が印加されている間だけ変位して半導体基板１のダイアフラム部１ｂを空洞部２ａ側へ変形させる（撓ませる）。

次に、本実施形態の接点開閉装置の動作について説明する。まず、電圧が印加されていない状態では、アクチュエータ６がダイアフラム部１ｂを変形させず、導電性流体３が初期位置で停止しているために電極パッド８₁，８₂と接続されている接点４が開成されている（オフ状態）。このオフ状態から電圧を印加してアクチュエータ６にダイアフラム部１ｂを変形させると、空洞部２ａの容積が減少することで導電性流体３が溝部２ｂの先端側に移動し、電極パッド８₁，８₂と接続されている接点４が導電性流体３を介して閉成される（オン状態）。このオン状態から電圧の印加を停止すれば、アクチュエータ６によって変形させられていたダイアフラム部１ｂが元の状態に復帰して空洞部２ａの容積が元に戻るから、溝部２ｂの先端部分に密封されている空気の圧力によって導電性流体３が空洞部２ａの方へ移動し、電極パッド８₁，８₂と接続されている接点４が開成される（オフ状態）。

而して、従来例のものはヒータの通電開始から液体金属が移動してオン・オフが切り換わるまでの時間（動作時間）が比較的に長くなるという欠点を有していたが、本実施形態の接点開閉装置では、電圧の印加／停止時点から導電性流体３が移動して接点４が開閉されるまでの動作時間を従来例よりも十分に短くすることができて応答性の向上が図れるものである。また、半導体基板１においてアクチュエータ６により変形させられる部分をダイアフラム状に形成しているので、半導体基板１の変形させられる部分（ダイアフラム部１ｂ）の剛性を低下させてアクチュエータ６に必要な駆動力が低減できるという利点がある。なお、図２に示すようにアクチュエータ６が嵌合する嵌合凹所１ａ’を半導体基板１に設けて嵌合凹所１ａ’の底部分をダイアフラム部１ｂ’とすれば、嵌合凹所１ａ’にアクチュエータ６を嵌合させることで半導体基板１に対するアクチュエータ６の位置決めが可能となる。

ところで、図３に示すように半導体基板１の凹所１ａの底部分（ダイアフラム部１ｂ）の上に銅等の金属をめっき若しくは蒸着してなる金属薄膜６ａと、金属薄膜６ａの上にセラミック製の圧電素子を蒸着してなる圧電膜６ｂとを有する圧電振動体でアクチュエータ６を構成してもよい。このような圧電振動体でアクチュエータ６を構成すれば、半導体製造プロセスを利用してアクチュエータが形成できるから製造コストが低減できるという利点がある。但し、金属薄膜６ａの上に薄い板状に形成された圧電素子を接合して圧電振動体を構成することも可能であり、この場合でも圧電振動体の電極となる金属薄膜６ａが半導体製造プロセスを利用して形成でき、しかも、圧電膜６ｂ又は薄い板状の圧電素子の何れの場合においても圧電振動体に電極用のシムが不要となって製造コストが低減できるという利点がある。

また、金属薄膜の片面のみに圧電膜（又は圧電素子）が形成されたユニモルフ型の圧電振動体でアクチュエータ６を構成する代わりに、図４に示すように一対の圧電膜６ｂ（又は圧電素子）の間に金属薄膜６ａを挟み込んだバイモルフ型の圧電振動体でアクチュエータ６を構成すれば、ユニモルフ型の圧電振動体に比較して同一の印加電圧に対するアクチュエータ６の駆動力が大きくなり、動作時間がさらに短縮できるという利点がある。

本発明の実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）は同図（ｂ）におけるＡ−Ｂ線断面矢視図、（ｄ）は同図（ｂ）におけるＥ−Ｆ線断面矢視図、（ｅ）は同図（ｂ）におけるＣ−Ｄ線断面矢視図である。 同上の他の構成を示す断面図である。 同上のさらに他の構成を示す断面図である。 同上のさらにまた他の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
１ｂ ダイアフラム部
２ 収納部
２ａ 空洞部
２ｂ 溝部
３ 導電性流体
４ 接点
５ 絶縁基板
５ａ 貫通孔
６ アクチュエータ

Claims (4)

1. 導電性を有する流体を移動自在に収納する収納部が設けられた半導体基板と、収納部内に露出する複数の接点が設けられて半導体基板の表面に接合される絶縁基板と、半導体基板の絶縁基板との接合面と反対側の面に形成され半導体基板を部分的に変形させて収納部内で導電性流体を移動させるアクチュエータとを備え、半導体基板においてアクチュエータにより変形させられる部分がダイアフラム状に形成されたことを特徴とする接点開閉装置。
2. 前記ダイアフラム状の部分は、半導体基板に設けられ且つアクチュエータが嵌合する嵌合凹所からなることを特徴とする請求項１記載の接点開閉装置。
3. アクチュエータは、金属薄膜と該金属薄膜の上に設けられる圧電体を有する圧電振動体からなることを特徴とする請求項１記載の接点開閉装置。
4. アクチュエータは、一対の圧電体の間に金属薄膜を挟み込んだバイモルフ型の圧電振動体からなることを特徴とする請求項３記載の接点開閉装置。

Images