JP2007066737A

JP2007066737A - 接点開閉装置

Info

Publication number: JP2007066737A
Application number: JP2005252210A
Authority: JP
Inventors: Koji Yokoyama; 浩司横山; Riichi Uotome; 利一魚留; Hidekazu Furukubo; 英一古久保
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】応答性が高い常閉型の接点開閉装置を提供する。
【解決手段】接点開閉装置は、シリコン基板１と、シリコン基板１に設けた溝部２及び液溜め部３を覆うようにしてシリコン基板１に被着されたガラス基板７と、溝部２に対向するガラス基板７の部位に設けられた２つのコンタクト１０ａ，１０ｂと、通電に応じて液溜め部３の裏側に形成されたダイアフラム４を押圧する圧電アクチュエータ８と、圧電アクチュエータ８に通電していない状態でコンタクト１０ａ，１０ｂ間に介在するようにして溝部２内に配置された導電性流体６と、溝部２内で導電性流体６の両側に配置された非導電性流体５ａ，５ｂとを備える。圧電アクチュエータ８に通電すると、ダイアフラム４が液溜め部３側に撓められ、液溜め部３内の流体５ａが溝部２側へ移動するので、コンタクト１０ａ，１０ｂ間に導電性流体６が介在しなくなり、接点間がオフになる。
【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）。

上記特許文献１に示される接点開閉装置は、半導体基板の内部に所定の体積を有する能動貯蔵庫および受動貯蔵庫を設け、両貯蔵庫の間を液体金属の流路となるチャンネルで連通している。チャンネルの内部には、液体金属を介して導通する各一対の第１信号電極と第２信号電極とが間隔を開けて配置されている。また各貯蔵庫にはヒータが設けられており、一方のヒータに通電して貯蔵庫内部の気体を加熱、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信号電極及び第２信号電極の一方を導通させるとともに、他方を遮断させている。
特開平９−１６１６４０号公報

上記構成の接点開閉装置は、両貯蔵庫内の気体をヒータにより加熱し、その体積を膨張させることで、チャンネル内部の液体金属を移動させているため、応答性が悪いという問題があった。そこで、液体金属に直接外力を加えて、チャンネル内部を移動させることで応答性を改善することが考えられるが、その場合は液体金属に外力を加えていない状態で液体金属と接触していない位置に接点を配置し、液体金属に外力を加えてチャンネル内部を移動させた際に、接点間が液体金属を介して導通するため、常開型の接点開閉装置しか実現できないという問題があった。

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、応答性が高い常閉型の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及び該溝部の一端に連通した液溜め部が形成されるとともに、液溜め部の裏側をエッチングすることによってダイアフラムが形成された半導体基板と、溝部及び液溜め部を覆うようにして半導体基板の一面に被着された封止基板と、溝部に対向する封止基板の部位に設けられた複数の接点と、溝部の中間部に移動自在に配置された導電性流体と、溝部内で当該溝部の他端側から導電性流体までの間に配置される第１の非導電性流体と、溝部の残部及び液溜め部内に配置される第２の非導電性流体と、ダイアフラムを撓ませることによって液溜め部内の流体を溝部側に押し出して各流体を移動させる駆動手段とを備え、導電性流体は、駆動手段により各流体を移動させていない状態で、複数の接点の間に介在するように配置されたことを特徴とする。

この発明によれば、駆動手段によりダイアフラムを撓ませることによって、液溜め部内の流体を溝部側に押し出して、接点の開閉を行わせているので、応答性を向上させることができる。しかも、駆動手段により各流体を移動させていない状態で、複数の接点の間に介在するように導電性流体が配置され、この導電性流体の両側に第１及び第２の非導電性流体が配置されているので、駆動手段を動作させていない状態では接点間が導電性流体を介して導通し、駆動手段により導電性流体を移動させると、接点間が非導電性流体を介して遮断されるから、応答性が高い常閉型の接点開閉装置を提供することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、第１及び第２の非導電性流体が気体であることを特徴とする。

この発明によれば、請求項１の発明と同様に、応答性が高い常閉型の接点開閉装置を提供することができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、第１及び第２の非導電性流体が非導電性の液体であることを特徴とする。

この発明によれば、請求項１の発明と同様に、応答性が高い常閉型の接点開閉装置を提供することができる。さらに、第１及び第２の非導電性流体に気体を用いる場合、気体は圧縮性流体なので、導電性流体を移動させるためにはダイアフラムの撓み量を大きくする必要があるが、請求項３の発明によれば第１及び第２の非導電性流体として非導電性の液体を用いており、液体は非圧縮性の流体なので、ダイアフラムの撓み量を小さくでき、駆動手段による駆動力を小さくできる。

請求項４の発明は、一面に流体の流路となる溝部が形成された半導体基板と、溝部を覆うようにして半導体基板の一面に被着された封止基板と、溝部に対向する封止基板の部位に設けられた複数の接点と、溝部の中間部に移動自在に配置された導電性流体と、溝部内で当該溝部の一端側から導電性流体までの間に配置される磁性流体と、溝部の残部に配置される非導電性の液体と、溝部内に磁界を発生させることで磁性流体を移動させる駆動手段とを備え、導電性流体は、駆動手段により磁性流体を移動させていない状態で、複数の接点の間に介在するように配置されたことを特徴とする。

この発明によれば、駆動手段が溝部内に磁界を発生させることで磁性流体を移動させ、磁性流体の移動に応じて導電性流体を移動させることにより、接点の開閉を行わせているので、応答性を向上させることができる。しかも、駆動手段により各流体を移動させていない状態で、複数の接点の間に介在するように導電性流体が配置され、この導電性流体の両側に第１及び第２の非導電性流体が配置されているので、駆動手段を動作させていない状態では接点間が導電性流体を介して導通し、駆動手段により導電性流体を移動させると、接点間が非導電性流体を介して遮断されるから、応答性が高い常閉型の接点開閉装置を提供することができる。

請求項１の発明によれば、駆動手段によりダイアフラムを撓ませることによって、液溜め部内の流体を溝部側に押し出して、接点の開閉を行わせているので、応答性を向上させることができる。しかも、駆動手段により各流体を移動させていない状態で、複数の接点の間に介在するように導電性流体が配置され、この導電性流体の両側に第１及び第２の非導電性流体が配置されているので、駆動手段を動作させていない状態では接点間が導電性流体を介して導通し、駆動手段により導電性流体を移動させると、接点間が非導電性流体を介して遮断されるから、応答性が高い常閉型の接点開閉装置を提供することができる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明と同様に、応答性が高い常閉型の接点開閉装置を提供することができる。

請求項３の発明によれば、請求項１の発明と同様に、応答性が高い常閉型の接点開閉装置を提供することができる。さらに、第１及び第２の非導電性流体に気体を用いる場合、気体は圧縮性流体なので、導電性流体を移動させるためにはダイアフラムの撓み量を大きくする必要があるが、請求項３の発明によれば第１及び第２の非導電性流体として非導電性の液体を用いており、液体は非圧縮性の流体なので、ダイアフラムの撓み量を小さくでき、駆動手段による駆動力を小さくできる。

請求項４の発明によれば、駆動手段が溝部内に磁界を発生させることで磁性流体を移動させ、磁性流体の移動に応じて導電性流体を移動させることにより、接点の開閉を行わせているので、応答性を向上させることができる。しかも、駆動手段により各流体を移動させていない状態で、複数の接点の間に介在するように導電性流体が配置され、この導電性流体の両側に第１及び第２の非導電性流体が配置されているので、駆動手段を動作させていない状態では接点間が導電性流体を介して導通し、駆動手段により導電性流体を移動させると、接点間が非導電性流体を介して遮断されるから、応答性が高い常閉型の接点開閉装置を提供することができる。

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（封止基板）７と、溝部２に対向するガラス基板７の部位に設けられた複数（例えば２個）のコンタクト１０ａ，１０ｂと、溝部２の中間部に移動自在に配置された導電性流体６と、溝部２内で当該溝部２の他端側から導電性流体６までの間に配置される第１の非導電性流体（以下、非導電性流体と言う。）５ｂと、溝部２の残部及び液溜め部３内に配置される第２の非導電性流体（以下、非導電性流体と言う。）５ａ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（駆動手段）８とを備えている。ここで、導電性流体６は、圧電アクチュエータ８により各流体５ａ，５ｂ，６を移動させていない状態で、コンタクト１０ａ，１０ｂ間に介在するように溝部２内に配置されている。また非導電性流体５ａ，５ｂとしては例えば空気（気体）を用いている。

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１２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、溝部２内を非導電性流体５ｂで満たした状態で、シリコン基板１の注入用孔１２から導電性流体６を所定量注入し、さらに非導電性流体５ｂ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１２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及び非導電性流体５ａを注入用孔１２から注入する際に溝部２内の空気（非導電性流体５ａ）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を押圧し、ダイアフラム４が液溜め部３側に撓められるから、液溜め部３の容積が減少する。この時、液溜め部３内の非導電性流体５ａが溝部２側に押し出され、非導電性流体５ａが圧縮されるとともに、非導電性流体５ａの反発力を受けて導電性流体６が液溜め部３と反対側に移動するので、コンタクト１０ａ，１０ｂ間に導電性流体６が介在しなくなって、接点間が遮断される。なお、導電性流体６が液溜め部３と反対側に移動することによって、非導電性流体５ｂが圧縮される。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、非導電性流体５ａが溝部２から液溜め部３側へ移動するとともに、導電性流体６がコンタクト１０ａ，１０ｂ間の初期位置に移動し、接点間が導通する。

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２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２個のコンタクト１０ａ，１０ｂを形成している。これらのコンタクト１０ａ，１０ｂは、液溜め部３に近い側からコンタクト１０ａ，１０ｂの順番に配置されている。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とコンタクト１０ｂ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。

次に、この接点開閉装置の製造方法について説明する。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２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、２つのコンタクト１０ａ，１０ｂ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、溝部２及び液溜め部３を覆った後、溝部２及び液溜め部３の内部に非導電性流体５ｂを満たした状態で、シリコン基板１の注入用孔１２から導電性流体６を所定量注入し、さらに非導電性流体５ｂを所定量注入する。導電性流体６及び非導電性流体５ａ，５ｂ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。なお、導電性流体６は溝部２の内部においてコンタクト１０ａ，１０ｂの間に介在するように配置され、溝部２の他端側（液溜め部３と反対側の端部）から導電性流体６までの間に非導電性流体５ｂが配置されるとともに、溝部２の残部と液溜め部３とに非導電性流体５ａが配置されている。

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がコンタクト１０ａ，１０ｂ間に介在しているから、コンタクト１０ａ，１０ｂ間が導電性流体６を介して導通し、電極パッド１４，１５間がオンになる。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非導電性流体５ａが溝部２側に押し出され、非導電性流体５ａが圧縮されるので、非導電性流体５ａの反発力を受けて導電性流体６が溝部２内を液溜め部３と反対側へ移動し、コンタクト１０ａ，１０ｂ間に導電性流体６が介在しなくなって、電極パッド１４，１５間はオフになる。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、非導電性流体５ａが溝部２から液溜め部３側へ移動するとともに、導電性流体６がコンタクト１０ａ，１０ｂ間の初期位置に移動し、接点間が導通する。このとき、コンタクト１０ａ，１０ｂ間に導電性流体６が存在するから、電極パッド１４，１５間はオンになる。つまり、この接点開閉装置は常閉型の接点装置として機能する。

ところで、本実施形態では第１及び第２の非導電性流体５ａ，５ｂとして気体を用いているが、第１及び第２の非導電性流体５ａ，５ｂを気体に限定する趣旨のものではなく、非絶縁性の液体（例えば純水やフッ素系の不活性液体など）を用いても良い。第１及び第２の非導電性流体５ａ，５ｂに気体を用いる場合、気体は圧縮性流体なので、圧電アクチュエータ８によりダイアフラム４を撓ませて、液溜め部３内の非導電性流体５ａを溝部２側へ移動させたとしても、非導電性流体５ａ自体が収縮するため、溝部２内で導電性流体６を移動させるためには、液溜め部３から溝部２側へより多くの非導電性流体５ａを押し出す必要があり、結果ダイアフラム４の撓み量を大きくする必要があった。それに対して、第１及び第２の非導電性流体５ａ，５ｂに非導電性の液体を用いた場合、液体は非圧縮性の流体なので、液溜め部３から溝部２側へ押し出す流体の体積が少なくて済み、ダイアフラム４の撓み量を小さくできるから、圧電アクチュエータ８による駆動力を小さくできる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２を図２に基づいて説明する。上述の実施形態１では第１及び第２の非導電性流体５ａ，５ｂとして気体又は非導電性の液体を用いているが、本実施形態では、溝部２内で溝部２の他端側（液溜め部３と反対側）から導電性流体６までの間に配置される第１の非導電性流体として非導電性の液体５ｄを用いるとともに、溝部２の残部及び液溜め部３内に配置される第２の非導電性流体として磁性流体５ｃを用いている。また液溜め部３の裏側にはダイアフラム４を形成しておらず、駆動手段として圧電アクチュエータ８の代わりに、溝部２内に磁界を発生させることで磁性流体５ｃを移動させるマグネット２０、及び、マグネット２０を磁性流体５ｃに近付ける状態と遠ざける状態とを切り替える切替手段（図示せず）を用いている。尚、第１及び第２の非導電性流体と駆動手段以外の構成は実施形態１と同様であるので、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。

本実施形態では、第２の非導電性流体として磁性流体５ｃを用いており、図示しない切替手段によりマグネット２０を近付けたり、遠ざけたりすることで、磁性流体５ｃをマグネット２０で吸引する状態と、吸引しない状態とを切り替えている。

而して、切替手段によりマグネット２０を磁性流体５ｃから遠ざけている状態では、導電性流体６がコンタクト１０ａ，１０ｂ間に介在しているから、コンタクト１０ａ，１０ｂ間が導電性流体６を介して導通し、電極パッド１４，１５間がオンになる。一方、切替手段によりマグネット２０を磁性流体５ｃに近付けると、磁性流体５ｃがマグネット２０に吸引されて溝部２の他端側（液溜め部３と反対側）へ移動し、導電性流体６が磁性流体５ｃに押されて溝部２内を他端側へ移動するから、コンタクト１０ａ，１０ｂ間に導電性流体６が介在しなくなって、電極パッド１４，１５間はオフになる。なお、磁性流体５ｃはマグネット２０の吸引力を受けて体積が膨張することで、マグネット２０に近付く方向へ移動し、導電性流体６を溝部２の他端側へ移動させている。またこの時、非導電性の液体５ｄは、導電性流体６の移動に伴って圧縮されている。その後、切替手段によりマグネット２０を磁性流体５ｃから遠ざけると、マグネット２０による吸引力が無くなって、磁性流体５ｃが元の体積に収縮すると共に、非導電性の液体５ｄが元の体積まで膨張することで、導電性流体６がコンタクト１０ａ，１０ｂ間の初期位置に移動し、接点間が導通する。つまり、この接点開閉装置は常閉型の接点装置として機能する。

本実施形態では、マグネット２０と切替手段とで構成される駆動手段により溝部２内に磁界を発生させることで磁性流体５ｃを移動させ、磁性流体５ｃの移動に応じて導電性流体６を移動させることで、コンタクト１０ａ，１０ｂ間を導通又は開放させているので、応答性を向上させることができる。しかも、駆動手段により各流体５ｃ，５ｄ，６を移動させていない状態で、コンタクト１０ａ，１０ｂの間に介在するように導電性流体６が配置され、この導電性流体６の両側に磁性流体５ｃおよび非導電性の液体５ｄが配置されているので、駆動手段を動作させていない状態ではコンタクト１０ａ，１０ｂ間が導電性流体６を介して導通し、駆動手段により導電性流体６を移動させると、コンタクト１０ａ，１０ｂ間が非導電性の磁性流体５ｃを介して遮断されるから、応答性が高い常閉型の接点開閉装置を提供することができる。

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。実施形態２を示す断面図である。

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
５ａ，５ｂ非導電性流体
６導電性流体
７ガラス基板
８圧電アクチュエータ
１０ａ，１０ｂコンタクト

Claims

一面に流体の流路となる溝部及び該溝部の一端に連通した液溜め部が形成されるとともに、液溜め部の裏側をエッチングすることによってダイアフラムが形成された半導体基板と、溝部及び液溜め部を覆うようにして半導体基板の一面に被着された封止基板と、溝部に対向する封止基板の部位に設けられた複数の接点と、溝部の中間部に移動自在に配置された導電性流体と、溝部内で当該溝部の他端側から導電性流体までの間に配置される第１の非導電性流体と、溝部の残部及び液溜め部内に配置される第２の非導電性流体と、ダイアフラムを撓ませることによって液溜め部内の流体を溝部側に押し出して前記各流体を移動させる駆動手段とを備え、導電性流体は、駆動手段により前記各流体を移動させていない状態で、複数の接点の間に介在するように配置されたことを特徴とする接点開閉装置。
前記第１及び第２の非導電性流体が気体であることを特徴とする請求項１記載の接点開閉装置。
前記第１及び第２の非導電性流体が非導電性の液体であることを特徴とする請求項１記載の接点開閉装置。
一面に流体の流路となる溝部が形成された半導体基板と、溝部を覆うようにして半導体基板の一面に被着された封止基板と、溝部に対向する封止基板の部位に設けられた複数の接点と、溝部の中間部に移動自在に配置された導電性流体と、溝部内で当該溝部の一端側から導電性流体までの間に配置される磁性流体と、溝部の残部に配置される非導電性の液体と、溝部内に磁界を発生させることで磁性流体を移動させる駆動手段とを備え、導電性流体は、駆動手段により磁性流体を移動させていない状態で、複数の接点の間に介在するように配置されたことを特徴とする接点開閉装置。