JP2007066736A - 接点開閉装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電気的接続の信頼性を向上させた接点開閉装置を提供する。
【解決手段】接点開閉装置は、一面に流体の流路となる溝部2及び液溜め部3が形成されたシリコン基板1と、溝部2及び液溜め部3内に移動自在に配置された導電性流体6と、溝部2及び液溜め部3を塞ぐようにしてシリコン基板1の一面に陽極接合されたガラス基板7と、ガラス基板7において溝部2に対向する部位にそれぞれ形成された複数のコンタクト10a〜10dとを備え、通電に応じて圧電アクチュエータ8がシリコン基板1に設けたダイアフラム4を押圧することによって溝部2内の導電性流体6を移動させ、コンタクト10a…の間を導電性流体6を介して導通又は開放させる。ここで、シリコン基板1には、それぞれ各コンタクト10a…の投影範囲を少なくとも含む複数の領域に、導電性流体6が表面張力によって入り込めない程度の深さの凹所20を形成してある。
【選択図】図1

Description

本発明は、接点開閉装置に関するものである。
従来より、常温で液体の金属(水銀)を利用した接点開閉装置が提案されている(例えば特許文献1参照)。
図6は従来の接点開閉装置の一例を示しており、この接点開閉装置は、一面に流体の流路となる溝部2及び当該溝部2に連通する液溜め部3が形成されるとともに、液溜め部3の裏側をエッチングすることによってダイアフラム4が形成されたシリコン基板1と、溝部2の一端側(液溜め部3と反対側)に存在する非導電性流体(例えば空気)5と、常温で液体の金属(水銀)からなり溝部2の残部及び液溜め部3に存在する導電性流体6と、溝部2及び液溜め部3を塞ぐようにしてシリコン基板1の一面に被着されるガラス基板7と、圧電材料により短冊状に形成され、シリコン基板1の他面におけるダイアフラム4の周縁部に長手方向一端部が固着されるとともに、長手方向他端部がダイアフラム4の上面に設けたピボット4aに対向する圧電アクチュエータ8とを備えている。
圧電アクチュエータ8はシリコン基板1に片持ち支持されており、圧電アクチュエータ8に通電すると、圧電アクチュエータ8の長手方向他端部が厚み方向に撓んでピボット4aを押圧する。この時、ダイアフラム4が液溜め部3側に膨らみ、液溜め部3の容積が減少するので、液溜め部3内の導電性流体6が溝部2側に押し出される。一方、圧電アクチュエータ8の通電を止めると、圧電アクチュエータ8がピボット4aを押圧する力が無くなり、ダイアフラム4が元の状態に戻るので、導電性流体6は溝部2から液溜め部3側へ移動する。
ガラス基板7には、溝部2の直線部分2aと対向する部位に、ガラス基板7を厚み方向に貫通する貫通孔9が4個形成され、各貫通孔9の孔壁をめっきして孔内に金属(例えば銅など)を充填することによって、溝部2内に先端が露出する4個のコンタクト10a〜10dを形成している。これら4個のコンタクト10a〜10dは、液溜め部3に近い側からコンタクト10a,10b,10c,10dの順番に略一定の間隔で配置されている。またガラス基板7の表面には一対の電極パッド14,15が形成されており、一方の電極パッド14とコンタクト10a,10cとの間が導電パターン16を介して電気的に接続されるとともに、他方の電極パッド15と残りのコンタクト10b,10dとの間が導電パターン17を介して電気的に接続されている。尚、図6(b)に示す例では導電性流体6がコンタクト10a,10bを越える位置(コンタクト10bとコンタクト10cとの間)まで注入されているので、圧電アクチュエータ8に通電していない状態で、導電性流体6と接触しているコンタクト10a,10bを不使用にするため、コンタクト10aと電極パッド14との間を電気的に接続する分岐パターン16aと、コンタクト10bと電極パッド15との間を電気的に接続する分岐パターン17aとに、図示しないレーザ発振機を用いてレーザを照射することで、分岐パターン16a,17aを溶断する。
而して、圧電アクチュエータ8に通電していない状態では、導電性流体6の先端がコンタクト10bとコンタクト10cの間で止まっているから、コンタクト10c,10d間が非導電性流体5によって開放され、電極パッド14,15間はオフになる。一方、圧電アクチュエータ8に通電すると、圧電アクチュエータ8が厚み方向に撓んでピボット4aを押圧し、ダイアフラム4が液溜め部3側に膨らむので、液溜め部3の容積が減少する。このとき、液溜め部3内に注入されていた導電性流体6が溝部2側に押し出され、導電性流体6が溝部2内でコンタクト10dを越える位置まで移動するので、コンタクト10c,10d間が導電性流体6を介して導通し、電極パッド14,15間が導通する。その後、圧電アクチュエータ8の通電を止めると、圧電アクチュエータ8によりピボット4aを押圧する力が無くなり、ダイアフラム4が元の形状に戻るので、液溜め部3から溝部2内に押し出されていた導電性流体6が液溜め部3側に移動する。このとき、コンタクト10c,10d間に導電性流体6が存在しなくなるから、電極パッド14,15間はオフになる。つまり、この接点開閉装置は常開型の接点開閉装置として機能する。
特開2004−193133号公報
上記構成の接点開閉装置では、ガラス基板7において、シリコン基板1に設けた溝部2に対向する部位に複数個の貫通孔9が形成され、各貫通孔9の内部をめっきして金属を充填することで、先端が溝部2内に露出するコンタクト10a〜10dを形成しているのであるが、各コンタクト10a…の大きさが溝部2の幅寸法よりも幅広で、各コンタクト10a…の一部がシリコン基板1に接触しているため、シリコン基板1とガラス基板7とを陽極接合する際に各コンタクト10a…の溝部2内に臨む部位にシリコンが付着して、導電性流体6とコンタクト10a〜10dとの電気的接続の信頼性が低下してしまう可能性があった。
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、電気的接続の信頼性を向上させた接点開閉装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、一面に流体の流路となる溝部が形成されたシリコン基板と、溝部内に移動自在に配置された導電性流体と、溝部を塞ぐようにしてシリコン基板の一面に陽極接合されたガラス基板と、少なくとも一部を溝部に臨ませるようにしてガラス基板にそれぞれ形成された複数の接点部と、溝部内で導電性流体を移動させることによって接点部の間を導電性流体を介して導通又は開放させる駆動手段とを備え、シリコン基板においてそれぞれ各接点部の投影範囲を少なくとも含む複数の領域に、導電性流体が表面張力によって入り込めない程度の深さの凹所を形成したことを特徴とする。
この発明によれば、各接点部が対向するシリコン基板の部位には、各接点部の投影範囲を少なくとも含む領域に凹所を形成してあり、各接点部がガラス基板に接触していないので、ガラス基板とシリコン基板とを陽極接合する際に接点部の表面にシリコンが付着するのを防止でき、電気的接続の信頼性を向上させることができる。しかも、凹所の深さ寸法は、導電性流体が表面張力によって入り込めない程度の深さに形成されているので、導電性流体の一部が凹所内に入り込むことで、溝部を移動する導電性流体の量が減り、接点部の開閉動作が不安定になるのを防止できる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、上記各接点部は、ガラス基板における溝部と対向する部位に形成されたコンタクトからなることを特徴とする。
この発明によれば、請求項1の発明と同様、コンタクトが対向するシリコン基板の部位には、コンタクトの投影範囲を少なくとも含む領域に凹所を形成してあり、コンタクトがガラス基板に接触していないので、ガラス基板とシリコン基板とを陽極接合する際にコンタクトの表面にシリコンが付着するのを防止でき、電気的接続の信頼性を向上させることができる。
請求項3の発明は、請求項1の発明において、上記各接点部は、ガラス基板における溝部と対向する部位以外の部位に形成されたコンタクトと、導電性流体に対して反応性が低い金属材料からなり、ガラス基板の表面において溝部と対向する位置からコンタクトまで形成された導体パターンとで構成されることを特徴とする。
この発明によれば、請求項1の発明と同様、コンタクト及び導体パターンがそれぞれ対向するシリコン基板の部位には、コンタクト及び導体パターンの投影範囲を少なくとも含む領域に凹所を形成してあり、コンタクト及び導体パターンがガラス基板に接触していないので、ガラス基板とシリコン基板とを陽極接合する際にコンタクト及び導体パターンの表面にシリコンが付着するのを防止でき、電気的接続の信頼性を向上させることができる。しかも、コンタクトは、ガラス基板において溝部と対向する部位以外の部位に形成されているので、導電性流体に直接接触することはなく、導電性流体と反応しにくい材料で形成された導体パターンが導電性流体と接触するので、コンタクトが導電性流体と反応することで、コンタクトの電気的な特性が変化するのを防止することができる。
請求項4の発明は、請求項3の発明において、上記溝部の少なくとも一部を平面視円弧状に形成するとともに、上記ガラス基板において円弧状の溝部の内側に上記コンタクトを形成したことを特徴とする。
この発明によれば、円弧状の溝部の内側にコンタクトを配置しているので、溝部が形成された範囲内でコンタクトを形成することができ、接点開閉装置の小型化を実現できる。
請求項1の発明によれば、各接点部が対向するシリコン基板の部位には、各接点部の投影範囲を少なくとも含む領域に凹所を形成してあり、各接点部がガラス基板に接触していないので、ガラス基板とシリコン基板とを陽極接合する際に接点部の表面にシリコンが付着するのを防止でき、電気的接続の信頼性を向上させることができる。しかも、凹所の深さ寸法は、導電性流体が表面張力によって入り込めない程度の深さに形成されているので、導電性流体の一部が凹所内に入り込むことで、溝部を移動する導電性流体の量が減り、接点部の開閉動作が不安定になるのを防止できる。
請求項2の発明によれば、請求項1の発明と同様、コンタクトが対向するシリコン基板の部位には、コンタクトの投影範囲を少なくとも含む領域に凹所を形成してあり、コンタクトがガラス基板に接触していないので、ガラス基板とシリコン基板とを陽極接合する際にコンタクトの表面にシリコンが付着するのを防止でき、電気的接続の信頼性を向上させることができる。
請求項3の発明によれば、請求項1の発明と同様、コンタクト及び導体パターンがそれぞれ対向するシリコン基板の部位には、コンタクト及び導体パターンの投影範囲を少なくとも含む領域に凹所を形成してあり、コンタクト及び導体パターンがガラス基板に接触していないので、ガラス基板とシリコン基板とを陽極接合する際にコンタクト及び導体パターンの表面にシリコンが付着するのを防止でき、電気的接続の信頼性を向上させることができる。しかも、コンタクトは、ガラス基板において溝部と対向する部位以外の部位に形成されているので、導電性流体に直接接触することはなく、導電性流体と反応しにくい材料で形成された導体パターンが導電性流体と接触するので、コンタクトが導電性流体と反応することで、コンタクトの電気的な特性が変化するのを防止することができる。
請求項4の発明によれば、円弧状の溝部の内側にコンタクトを配置しているので、溝部が形成された範囲内でコンタクトを形成することができ、接点開閉装置の小型化を実現できる。
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
(実施形態1)
本発明の実施形態1を図1及び図2に基づいて説明する。本実施形態の接点開閉装置は、一面に流体の流路となる溝部2及び当該溝部2に連通する液溜め部3が形成されるとともに、液溜め部3の裏側をエッチングすることによってダイアフラム4が形成されたシリコン基板1と、溝部2の一端側(液溜め部3と反対側)に存在する非導電性流体(例えば空気)5と、例えば常温で液体の金属(水銀)からなり溝部2の残部及び液溜め部3に存在する導電性流体6と、溝部2及び液溜め部3を塞ぐようにしてシリコン基板1の一面に被着されるガラス基板7と、圧電材料により短冊状に形成され、シリコン基板1の他面におけるダイアフラム4の周縁部に長手方向一端部が固着されるとともに、長手方向他端部がダイアフラム4の表面に設けたピボット4aに対向する圧電アクチュエータ8とを備えている。
液溜め部3は平面視の形状が略菱形に形成され、図1(a)中左側の角部から平面視の形状が略J字状の溝部2が延長形成されている。また、液溜め部3の右側の角部からは注入溝11が延長形成されており、注入溝11の端部はシリコン基板1を厚み方向に貫通する注入用孔(図示せず)に連通している。この接点開閉装置を製造する際には、シリコン基板1とガラス基板7とを陽極接合した後に、シリコン基板1の注入用孔から導電性流体6を所定量注入した後、ガラス蓋13をシリコン基板1の表面に固着して注入用孔を塞いでいる。なお、溝部2における液溜め部3と反対側の端部には、導電性流体6を注入用孔から注入する際に溝部2内の空気(非導電性流体5)を抜くための空気抜き孔(図示せず)が形成されており、この空気抜き孔もガラス蓋13で塞がれるようになっている。
圧電アクチュエータ8はシリコン基板1に片持ち支持されており、圧電アクチュエータ8に通電すると、圧電アクチュエータ8の長手方向他端部が厚み方向に撓んでピボット4aを押圧する。この時、ダイアフラム4が液溜め部3側に膨らみ、液溜め部3の容積が減少するので、液溜め部3内の導電性流体6が溝部2側に押し出される。一方、圧電アクチュエータ8の通電を止めると、圧電アクチュエータ8がピボット4aを押圧する力が無くなり、ダイアフラム4が元の状態に戻るので、導電性流体6は溝部2から液溜め部3側へ移動する。
ガラス基板7には、溝部2の直線部分2aと対向する部位に、ガラス基板7を厚み方向に貫通する貫通孔9が4個形成され、各貫通孔9の孔壁をめっきして孔内に金属(例えば銅など)を充填することによって、溝部2内に先端が露出する4個のコンタクト10a〜10dを形成している。これら4個のコンタクト10a〜10dは、液溜め部3に近い側からコンタクト10a,10b,10c,10dの順番に略一定の間隔で配置されている。またガラス基板7の表面には一対の電極パッド14,15が形成されており、一方の電極パッド14とコンタクト10a,10cとの間が導電パターン16を介して電気的に接続されるとともに、他方の電極パッド15と残りのコンタクト10b,10dとの間が導電パターン17を介して電気的に接続されている。
一方、シリコン基板1には、それぞれ各コンタクト10a〜10dの投影範囲を少なくとも含む複数の領域に、導電性流体6が表面張力によって入り込めない程度の深さの円形の凹所20を形成してある(図1(b)(e)及び図2参照)。ここで、凹所20の直径は溝部2の溝幅よりも大きく、且つ、コンタクト10a…の直径よりも大きい寸法に形成されているので、ガラス基板7をシリコン基板1に重ね合わせた場合でも、各コンタクト10a…がシリコン基板1に直接接触することはなく、陽極接合の際にコンタクト10a…の表面にシリコンが付着するのを防止できるから、電気的接続の信頼性を向上させることができる。しかも、凹所20の深さ寸法は、導電性流体6が表面張力によって入り込めない程度の微小深さに設定されているので、溝部2内を移動する導電性流体6が凹所20内に入り込むことはなく、導電性流体6の一部が凹所20内に入り込むことで、溝部2を移動する導電性流体6の量が減り、接点部の開閉動作が不安定になるのを防止できる。
次にこの接点開閉装置の製造方法について簡単に説明する。先ずシリコン基板1の一面をエッチングすることによって溝部2及び液溜め部3を形成するとともに、シリコン基板1の他面を異方性エッチングすることによってダイアフラム4を形成する。次にガラス基板7の所定の位置に貫通孔9を4個形成し、各貫通孔9の孔壁をめっきして孔内に金属(例えば銅など)を充填することによって、4つのコンタクト10a〜10dを形成した後、ガラス基板7の表面に電極パッド14,15と導電パターン16,17を形成する。そして、シリコン基板1の一面にガラス基板7を陽極接合して、溝部2及び液溜め部3を覆った後、シリコン基板1の注入用孔12から液溜め部3及び溝部2内に導電性流体6を注入する。導電性流体6の注入を終えると、ガラス蓋13をシリコン基板1の表面に固着して注入用孔12及び空気抜き孔を閉塞する。また、シリコン基板1の他面においてダイアフラム4の周縁部に、圧電アクチュエータ8の長手方向一端部を固着して、長手方向の他端部をダイアフラム4のピボット4aに対向させる。
この接点開閉装置は以上のようにして組み立てられるのであるが、溝部2及び液溜め部3に導電性流体6を注入する際に注入量が所定量を超えると、導電性流体6の先端がコンタクト10a…を越える位置まで注入される場合がある。例えば図1(b)に示す例では導電性流体6がコンタクト10a,10bを越える位置(コンタクト10bとコンタクト10cとの間)まで注入されているので、コンタクト10a,10b間に存在する導電性流体6を介して電極パッド14,15間が常時オン状態になる。そこで、接点のオン/オフが正常に行われるように、圧電アクチュエータ8に通電しておらず、導電性流体6を溝部2側へ移動させていない状態で、導電性流体6と接触している接点を不使用にし、残りの接点のみを使用するようにしている。すなわち、圧電アクチュエータ8に通電していない状態で導電性流体6と接触している接点と電極パッド14,15との間をそれぞれ電気的に接続する導電パターン16,17、つまりコンタクト10aと電極パッド14との間を電気的に接続する分岐パターン16aと、コンタクト10bと電極パッド15との間を電気的に接続する分岐パターン17aとに、図示しないレーザ発振機を用いてレーザを照射することで、分岐パターン16a,17aを溶断させ、コンタクト10c,10dのみを使用するようにしている。
而して、圧電アクチュエータ8に通電していない状態では、導電性流体6の先端がコンタクト10bとコンタクト10cの間で止まっているから、コンタクト10c,10d間が非導電性流体5によって開放され、電極パッド14,15間はオフになる。一方、圧電アクチュエータ8に通電すると、圧電アクチュエータ8が厚み方向に撓んでピボット4aを押圧し、ダイアフラム4が液溜め部3側に膨らむので、液溜め部3の容積が減少する。このとき、液溜め部3内に注入されていた導電性流体6が溝部2側に押し出され、導電性流体6が溝部2内でコンタクト10dを越える位置まで移動するので、コンタクト10c,10d間が導電性流体6を介して導通し、電極パッド14,15間が導通する。その後、圧電アクチュエータ8の通電を止めると、圧電アクチュエータ8によりピボット4aを押圧する力が無くなり、ダイアフラム4が元の形状に戻るので、液溜め部3から溝部2内に押し出されていた導電性流体6が液溜め部3側に移動する。このとき、コンタクト10c,10d間に導電性流体6が存在しなくなるから、電極パッド14,15間はオフになる。つまり、この接点開閉装置は常開型の接点開閉装置として機能する。
(実施形態2)
本発明の実施形態2を図3に基づいて説明する。尚、接点部及び凹所20以外の構成は実施形態1と同様なので、共通する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。
上述の実施形態1では、ガラス基板7において溝部2の直線部分2aに対向する部位にコンタクト10a…を設けているのに対して、本実施形態では、図3(a)(b)に示すようにガラス基板7において溝部2と対向する部位以外の部位にコンタクト10a…を形成するとともに、ガラス基板7の表面において各コンタクト10a…から溝部2と対向する位置まで導体パターン21を形成してある。ここで、各コンタクト10a…と各コンタクト10a…にそれぞれ導通する導体パターン21とで接点部が構成され、各接点部(すなわちコンタクト10a…および導体パターン21)に対向するシリコン基板1の部位には、コンタクト10a…および導体パターン21の投影範囲を少なくとも含む領域に、導電性流体6が表面張力によって入り込めない程度の深さの凹所20を形成してある。
ここで、凹所20の平面視の形状は、長方形の長手方向一端側の角部を丸めたような形状に形成されており、接点部の投影範囲よりも広い範囲に形成されているので、ガラス基板7をシリコン基板1に重ねた場合でもコンタクト10a…及び導体パターン21がガラス基板7と接触することはなく、陽極接合の際にコンタクト10a…や導体パターン21にシリコンが付着するのを防止でき、電気的接続の信頼性を向上させることができる。また、凹所20の深さ寸法は、導電性流体6が表面張力によって入り込めない程度の深さに形成されているので、導電性流体6の一部が凹所20内に入り込むことで、溝部2を移動する導電性流体6の量が減り、接点部の開閉動作が不安定になるのを防止できる。
また更に、コンタクト10a…は、ガラス基板7において溝部2と対向する部位以外の部位に形成され、導電性流体6と反応しにくい材料で形成された導体パターン21が溝部2内の導電性流体6と接触するので、コンタクト10a…が導電性流体に直接接触することはなく、コンタクト10a…が導電性流体6と反応して、コンタクト10a…の電気的な特性が変化するのを防止することができる。
ところで、本実施形態ではコンタクト10a…が配置される溝部2の部位を直線状に形成しているが、図4に示すように溝部2の一部に、平面視の形状がジグザグ状に形成された蛇行溝2bを設けるとともに、蛇行溝2bの円弧部分の内側に各コンタクト10a…を配置するようにしても良く、溝部2(蛇行溝2b)が形成された範囲内でコンタクト10a…を形成することができるから、接点開閉装置の小型化を図ることができる。
なお、上述の各実施形態では駆動手段として圧電アクチュエータ8を用い、圧電アクチュエータ8を用いてダイアフラム4を膨らませることによって、液溜め部3の容積を変化させ、液溜め部3から溝部2側へ導電性流体6を移動させているが、駆動手段を圧電アクチュエータ8に限定する趣旨のものではなく、駆動手段として外部より磁界を与えて導電性流体6を移動させる電磁石装置や、導電性流体6を加熱して導電性流体6の体積を変化させることで導電性流体6を移動させるヒータなど、使用用途に併せて適宜の駆動手段を選択して使用すれば良い。
なお、本発明の精神と範囲に反することなしに、広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は、特定の実施形態に制約されるものではない。
実施形態1を示し、(a)は上面図、(b)は下面図、(c)はA−B断面図、(d)はC−D断面図、(e)はE−F断面図である。 同上を示し、図1(e)のG部拡大図である。 実施形態2を示し、(a)は一部拡大せる下面図、(b)は要部断面図である。 同上の他の構成を示し、(a)は下面図、(b)はA−B断面図である。 同上を示し、図4(b)のC部拡大図である。 従来例を示し、(a)は上面図、(b)は下面図、(c)はA−B断面図、(d)はC−D断面図、(e)はE−F断面図である。
符号の説明
1 シリコン基板
2 溝部
3 液溜め部
4 ダイアフラム
6 導電性流体
7 ガラス基板
8 圧電アクチュエータ
10a〜10d コンタクト
20 凹所

Claims (4)

  1. 一面に流体の流路となる溝部が形成されたシリコン基板と、溝部内に移動自在に配置された導電性流体と、溝部を塞ぐようにしてシリコン基板の一面に陽極接合されたガラス基板と、少なくとも一部を溝部に臨ませるようにしてガラス基板にそれぞれ形成された複数の接点部と、溝部内で導電性流体を移動させることによって接点部の間を導電性流体を介して導通又は開放させる駆動手段とを備え、シリコン基板においてそれぞれ各接点部の投影範囲を少なくとも含む複数の領域に、導電性流体が表面張力によって入り込めない程度の深さの凹所を形成したことを特徴とする接点開閉装置。
  2. 上記各接点部は、ガラス基板における溝部と対向する部位に形成されたコンタクト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. 上記各接点部は、ガラス基板における溝部と対向する部位以外の部位に形成されたコンタクトと、導電性流体に対して反応性が低い金属材料からなり、ガラス基板の表面において溝部と対向する位置からコンタクトまで形成された導体パターンとで構成されることを特徴とする請求項1記載の接点開閉装置。
  4. 上記溝部の少なくとも一部を平面視円弧状に形成するとともに、上記ガラス基板において円弧状の溝部の内側に上記コンタクトを形成したことを特徴とする請求項3記載の接点開閉装置。
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