JP2008159324A - 接点開閉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】注入口から導電性流体が流出するのを防止することができる接点開閉装置を提供する。
【解決手段】導電性流体Ｌが収納されるとともに一対の接点５ａ，６ａが露設される収納室１ｄ及び該収納室１ｄに導電性流体Ｌを注入するための注入口２ｆを有する本体部１と、注入口２ｆを閉塞する閉塞板４と、収納室１ｄ内に収納された導電性流体Ｌを移動させ、一対の接点５ａ，６ａ間の導通状態を切り換える駆動手段であるアクチュエータ７とを備え、注入口２ｆを開放する位置と注入口２ｆを閉塞する位置との間で移動自在である磁性材料を含む栓部９を収納部１ｄの一部を成し導電性流体Ｌが収納される空洞部１ａ内に導電性流体Ｌを注入するための通路となる第１チャンネル１ｂ用の第１溝部２ｅにおける注入口２ｆの下方に設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、接点開閉装置に関する。

従来から、圧電素子の駆動によって液体金属を動かすことで接点を開閉する接点開閉装置（液体金属スイッチ）が提供されており、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。この接点開閉装置は、複数のコンタクトを外部に露出した状態で有する圧電基板層と、前記コンタクトと接続される複数の圧電素子及び各圧電素子間を分離する不活性の駆動流体を有する駆動装置流体槽層と、圧電素子によって押圧される薄膜層と、回路基板に接続される複数のスイッチ・コンタクト及び各スイッチ・コンタクト間を接続する液体金属及びスイッチング流体を有する液体金属チャネル層と、スイッチ・コンタクトと接続される回路を有する回路基板層とから成る。該接点開閉装置の動作を以下に説明する。圧電基板層の一対のコンタクト間に電圧を印加すると、該一対のコンタクトに接続された圧電素子が伸長し、該圧電素子の伸長に伴って薄膜層が押圧される。薄膜層が押圧されることによって液体金属チャネル層のスイッチング流体の圧力が上昇し、スイッチング流体の圧力の上昇によって液体金属によるスイッチ・コンタクト間の接続が切断され、而して回路基板層の回路上の接点を開放するようになっている。この接点開閉装置では、接点開閉装置の組立時に駆動流体を注入口から駆動装置流体槽層に注入し、その後注入口を封止することで駆動流体を駆動装置流体槽層に充填している。
特開２００４−３１９４７７号公報

ところで、上記のような接点開閉装置の他に、導電性流体が収納されるとともに一対の接点が露設される収納室を有する本体部と、本体部を部分的に変形させることで導電性流体を移動させ、一対の接点間の導通状態を切り換えるアクチュエータとを備えた接点開閉装置が知られている。しかしながら、このような接点開閉装置において、上記従来例の駆動流体の注入と同様に、導電性流体を注入口から収納室に注入した後に注入口を封止すると、導電性流体を注入してから注入口を封止するまでの間は注入口が開放されているので、収納室内の導電性流体が逆流して注入口から流出してしまう虞があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、注入口から導電性流体が流出するのを防止することができる接点開閉装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、導電性流体が収納される収納室及び導電性流体を収納室内に注入するための注入口を有する本体部と、少なくとも一部を収納室内に臨ませた状態で設けられる一乃至複数の接点と、本体部の厚み方向における収納室の壁部を変形させて導電性流体を移動させることによって接点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、注入口を開放する位置と注入口を閉塞する位置との間で移動自在である栓部を収納室内に設け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、栓部を構成する材料に磁性材料を含むことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、栓部を注入口を閉塞する位置に弾性付勢する付勢手段を備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、注入口を開放する位置と注入口を閉塞する位置との間で移動自在である栓部を設けたので、導電性流体を本体部の収納室に注入してから注入口を閉塞するまでの間に導電性流体が逆流して注入口から流出するのを防ぐことができる。

請求項２の発明によれば、栓部を構成する材料に磁性材料を含むので、導電性流体を収納室に注入した後に栓部を磁石によって吸引することで容易に注入口を閉塞することができ、導電性流体を本体部の収納室に注入してから注入口を閉塞するまでの間に導電性流体が逆流して注入口から流出するのを防ぐことができる。

請求項３の発明によれば、導電性流体を収納室に注入する際には注入口を開放し、導電性流体を収納室に注入した後には付勢手段によって注入口が閉塞されるので、導電性流体を本体部の収納室に注入してから注入口を閉塞するまでの間に導電性流体が逆流して注入口から流出するのを防ぐことができる。

以下、本発明の接点開閉装置の各実施形態について図面を用いて説明する。但し、以下の説明では図１（ａ）における上下を上下方向と定める。

（実施形態１）
本実施形態は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、導電性流体Ｌが収納されるとともに一対の接点５ａ，６ａが露設される収納室１ｄ及び該収納室１ｄに導電性流体Ｌを注入するための注入口２ｆを有する本体部１と、注入口２ｆを閉塞する閉塞板４と、収納室１ｄ内に収納された導電性流体Ｌを移動させ、一対の接点５ａ，６ａ間の導通状態を切り換える駆動手段であるアクチュエータ７とを備える。尚、本実施形態では、導電性流体Ｌとして常温常圧（２５℃、１気圧）で液体の金属（例えば、水銀）を用いている。

本体部１は、図２（ｃ）〜（ｅ）に示すように、基板２と絶縁基板３とを用いて構成される。基板２は、例えば単結晶のシリコン基板から成り、図２（ｃ）に示すように、その前面には略矩形状の凹部２ａが設けられている。この基板２の後面において凹部２ａに対応する部位には、導電性流体Ｌを収納する空洞部１ａ用の凹所２ｂが設けられており、図２（ｂ）に示すように、この凹所２ｂは略菱形に形成されている。また、基板２において凹部２ａの底壁部は薄膜状のダイアフラム部２ｃとなっており、該ダイアフラム部２ｃの略中央部には、前方へ突出する角錘台形の突部２ｄが一体に突設されている（図２（ｃ）参照）。

基板２の後面において凹所２ｂの一端側（図２（ｂ）における右端側）には、空洞部１ａ内に導電性流体Ｌを注入するための通路となる第１チャンネル１ｂ用の第１溝部２ｅが形成されている。第１溝部２ｅは、略矩形状に形成されるとともに、略正方形状の注入口２ｆによって基板２の前面側と連通している（図２（ｃ）参照）。注入口２ｆは、第１チャンネル１ｂ内に導電性流体Ｌを注入するために設けられており、導電性流体Ｌを注入した後に略矩形状のガラス板から成る閉塞板４によって閉塞される（図２（ａ）参照）。

また、第１溝部２ｅには、図２（ｃ）に示すように、注入口２ｆの下方に栓部９が設けられている。栓部９は、自身を構成する材料に磁性材料を含み、図１（ａ），（ｂ）に示すように、角錐台形状の上台部９０と下台部９１とから成り、上台部９０の下底面と下台部９１の上底面とを当接させる形で互いに逆向きに一体に形成される。上台部９０の上底面は注入口２ｆと第１溝部２ｅとが連通する部位の開口よりも小さく、下底面は前記開口よりも大きく形成されており、上底面から下底面にかけて傾斜面を有する。而して、上台部９０の傾斜面が前記開口周縁に当接することで前記開口を塞ぐようになっている。また、下台部９１の上底面は上台部９０の下底面よりも大きく形成されている。栓部９の図１（ａ）における左側には、略矩形状の一対のストッパー１０が第１溝部２ｅの幅方向（図２（ｂ）における上下方向）において対向する両壁から各々互いに向き合うように突設されている。

ストッパー１０は、図１（ａ）に示すように、その上端部が第１溝部２ｅの上壁とも一体に形成されており、下端部と第１溝部２ｅの底壁との間には導電性流体Ｌを通過させるための隙間が設けられている。また、ストッパー１０の幅方向において対向する部位にも導電性流体Ｌを通過させるための隙間が設けられており（図１（ｂ）参照）、これらの隙間は栓部９が通過できない程度の大きさに形成されている。而して、栓部９はストッパー１０によって前記左右方向の移動が規制されるので、ストッパー１０よりも前記右側において注入口２ｆを開放する位置と注入口２ｆを閉塞する位置との間で移動自在となっている。

一方、基板２の後面において凹所２ｂの他端側（図２（ｂ）における左端側）には、導電性流体Ｌが移動する流路となる第２チャンネル１ｃ用の略コ字状の第２溝部２ｇが形成されている。

尚、上記の凹部２ａ、凹所２ｂ、突部２ｄ、各溝部２ｅ，２ｇ、注入口２ｆ及びストッパー１０は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチング等の半導体製造プロセスを利用して基板２に形成してあるが、上記のような半導体製造プロセスは周知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。また、基板２の代わりに、基板２と同様の形状に形成された絶縁性を有する樹脂基板等を用いるようにしても構わない。

絶縁基板３は、例えば基板２と略同一の外形寸法を有する透明なガラス基板から成り、基板２の後面に陽極接合等によって接合される。尚、絶縁基板３として、ガラス基板のほかに絶縁性を有する樹脂基板を用いるようにしても構わない。

このように絶縁基板３を基板２の後面に接合することにより、凹所２ｂ及び第１溝部２ｅ並びに第２溝部２ｇの後面開口がそれぞれ閉塞される。そして、絶縁基板３により後面開口が閉塞された凹所２ｂが、導電性流体Ｌを収納する空洞部１ａとして、絶縁基板３により後面開口が閉塞された第１溝部２ｅが、導電性流体Ｌを空洞部１ａに注入するための第１チャンネル１ｂとして、絶縁基板３により後面開口が閉塞された第２溝部２ｇが、導電性流体Ｌの流路となる第２チャンネル１ｃとしてそれぞれ用いられ、これら空洞部１ａと第１チャンネル１ｂ及び第２チャンネル１ｃとによって導電性流体Ｌが移動自在に収納される収納室１ｄが構成される。

一方、絶縁基板３において、基板２の第２溝部２ｇに対向する部位、即ち、第２チャンネル１ｃの底面部となる部位には、貫設孔（スルーホール）３ａが４つ貫設されている（図２（ｂ），（ｄ）参照）。これら４つの貫設孔３ａのそれぞれの内周面及び前面開口には、ともに導電性金属材料を用いためっき層から成る接点５ａ，６ａが交互に形成されており、これにより絶縁基板３を基板２に接合した際には、各一対の接点５ａ，６ａが第２チャンネル１ｃ内に露設されることになる。尚、各接点５ａ，６ａ用の導電性金属材料としては、導電性流体Ｌに対する濡れ性が良いもの（例えば、半田）を用いることが好ましい。

また、絶縁基板３の後面には、銅等の導電性金属材料を用いた一対の電極パッド５ｂ，６ｂがそれぞれ形成されており、電極パッド５ｂは配線パターン５ｃによって一対の接点５ａに、電極パッド６ｂは配線パターン６ｃによって一対の接点６ａにそれぞれ接続されている。

ところで、接点５ａは上述したように２つ設けられているが、導電性流体Ｌが収納室１ｄに注入された後には、何れか１つのみが残されて他方の接点５ａが電極パッド５ｂから電気的に切断される。この点は接点６ａにおいても同様であり、これにより導電性流体Ｌの注入量のばらつきに対応できるようにしている。例えば、導電性流体Ｌの注入量が少なく導電性流体Ｌが何れの接点５ａ，６ａとも接触していない場合と、導電性流体Ｌの注入量が多く導電性流体Ｌが接点５ａとのみ接触している場合とでは、接点開閉の動作が異なってしまうため、前者の場合には、第２チャンネル１ｃの奥側となる他端側（図２（ｂ）における右側）の接点５ａ，６ａがそれぞれ電極パッド５ｂ，６ｂから切断され、後者の場合には、第２チャンネル１ｃの手前側となる一端側（図２（ｂ）における左側）の接点５ａが電極パッド５ｂから切断されるとともに、第２チャンネル１ｃの奥側の接点６ａが電極パッド６ｂから切断される。このようにすることで、導電性流体Ｌの注入量のばらつきに依らず安定した開閉性能を発揮することができる。

アクチュエータ７は、例えば扁平な棒状に形成された圧電振動子から成り、先端部を凹部２ａと対向させると同時に突部２ｄの先端に当接させる形で基板２の前面に接合された片持ち梁構造を有している。而して、アクチュエータ７の厚み方向に電圧を印加すれば、固定されていないアクチュエータ７の先端部がダイアフラム部２ｃに近づく方向に撓んで突部２ｄを押圧し、これにより基板２のダイアフラム部２ｃが凹所２ｂ側へ変形する（撓む）ことになる。そして、電圧の印加を停止すれば、アクチュエータ７が突部２を押圧しなくなり、これによりダイアフラム部２ｃが元の状態に復帰することになる。

次に、本実施形態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７が動作しないためにダイアフラム部２ｃが変形していない。この時、収納室１ｄに収納されている導電性流体Ｌは何れの接点５ａ，６ａとも接触しておらず、接点５ａ，６ａ間は絶縁（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７を駆動すると、アクチュエータ７の先端部が突部２ｄを押圧し、これによりダイアフラム部２ｃが後方に押し下げられる。ダイアフラム部２ｃが押し下げられると、空洞部１ａの容積が減少し、これにより空洞部１ａ内に収納されている導電性流体Ｌが第２チャンネル１ｃ側へ移動させられ、一対の接点５ａ，６ａが導電性流体Ｌによって短絡（閉成）される（オン状態）。

そして、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７によって変形させられていたダイアフラム部２ｃが元の状態に復帰する。これに伴って空洞部１ａの容積が元に戻るため、第２チャンネル１ｃ側に移動していた導電性流体Ｌが空洞部１ａ側に戻り、一対の接点５ａ，６ａが開成される（オフ状態）。

以下、導電性流体Ｌを収納室１ｄに注入する方法について図面を用いて説明する。まず、導電性流体Ｌが蓄えられた流体槽８ａを有する真空チャンバ８内に本体部１を配置し、真空チャンバ８内を真空ポンプ（図示せず）を用いて真空引きすることで、真空チャンバ８内及び本体部１の収納室１ｄ内を所定の真空度まで減圧する（図３（ａ）参照）次に、本体部１を流体槽８ａに浸し（図３（ｂ）参照）、真空チャンバ８内の圧力を上昇させると、真空チャンバ８内の圧力が収納室１ｄ内の圧力よりも大きくなるために、流体槽８ａに蓄えられた導電性流体Ｌが注入口２ｆから収納室１ｄ内に浸入する（図３（ｃ）参照）。そして、収納室１ｄに所定の導電性流体Ｌが注入されるまで真空チャンバ８内の圧力を上昇させた後に（図３（ｄ）参照）、本体部１を流体槽８ａから取り出し、閉塞板４を基板２の前面に接合して注入口２ｆを閉塞することで、導電性流体Ｌの収納室１ｄへの注入工程が終了する。尚、流体槽８ａに本体部１を浸す際に、凹部２ａにも導電性流体Ｌが浸入するが、凹部２ａに溜まった導電性流体Ｌは注入口２ｆを閉塞板４で閉塞した後に除去するため、ここでは凹部２ａに溜まる導電性流体Ｌの図示を省略している。

ここで、本実施形態では第１溝部２ｅに栓部９を設けているので、図１（ａ）に示すように、本体部１の外部から磁石Ｍを近づけることで栓部９を吸引することができる。而して、導電性流体Ｌを収納室１ｄに注入してから注入口２ｆを閉塞板４で閉塞するまでの間に、磁石Ｍで栓部９を吸引することで注入口２ｆを閉塞することができるので、導電性流体Ｌが空洞部１ａ側から第１チャンネル１ｂを通って注入口２ｆに移動するのを抑制し、導電性流体Ｌが注入口２ｆから本体部１の外部に流出するのを防ぐことができる。

（実施形態２）
以下、本発明の実施形態２について図面を用いて説明する。但し、本実施形態は基本的な構成が実施形態１と共通であるので、共通の部位には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態は栓部９に特徴があり、図４（ａ）に示すように、栓部９を注入口を閉塞する位置に弾性付勢する付勢手段である一対のばね体１１を栓部９の下台部９１に設けている。尚、本実施形態ではストッパー１０は設けられていない。

ばね体１１は、弾性を有する材料から成り、上下方向に伸縮自在となっている。ばね体１１は、何れも上端部が注入口２ｆと第１溝部２ｅとが連通する部位の開口周縁に取り付けられ、他端部が栓部９の下台部９１の上底面に取り付けられている。このようにばね体１１を取り付けることで、栓部９が上方向、即ち注入口２ｆを閉塞する方向に付勢される。

而して、導電性流体Ｌを収納室１ｄに注入する際は、図４（ａ）に示すように、導電性流体Ｌによって栓部９がばね体１１の付勢力以上の力で押圧されることで下方に移動し、注入口２ｆが開放されて導電性流体Ｌが収納室１ｄ内に浸入する。導電性流体Ｌを注入した後には、図４（ｂ）に示すように、ばね体１１が復帰することで栓部９が注入口２ｆを閉塞するので、導電性流体Ｌが空洞部１ａ側から第１チャンネル１ｂを通って注入口２ｆに移動するのを抑制することができ、したがって導電性流体Ｌが注入口２ｆから本体部１の外部に流出するのを防ぐことができる。

本発明の実施形態１の接点開閉装置の栓部を示す図で、（ａ）は本体部断面の一部拡大図で、（ｂ）はＤ−Ｄ’線断面矢視図である。 同上の概略を示す図で、（ａ）は概略前面図で、（ｂ）は概略後面図で、（ｃ）はＡ−Ａ’線断面矢視図で、（ｄ）はＢ−Ｂ’線断面矢視図で、（ｅ）はＣ−Ｃ’線断面矢視図である。 同上の導電性流体の注入方法を示す図で、（ａ）は本体部を導電性流体に浸す前を示す図で、（ｂ）は本体部を導電性流体に浸した直後を示す図で、（ｃ）はチャンバ内の圧力を上昇させた場合を示す図で、（ｄ）はチャンバ内の圧力を所定の値まで上昇させた場合を示す図である。 本発明の実施形態２の接点開閉装置を示す本体部断面の一部拡大図で、（ａ）は注入口を開放している状態を示す図で、（ｂ）は注入口を閉塞している状態を示す図である。

符号の説明

１ 本体部
１ｄ 収納室
２ｃ ダイアフラム部（壁部）
２ｆ 注入口
５ａ，６ａ 接点
７ アクチュエータ（駆動手段）
９ 栓部
Ｌ 導電性流体

Claims (3)

1. 導電性流体が収納される収納室及び導電性流体を収納室内に注入するための注入口を有する本体部と、少なくとも一部を収納室内に臨ませた状態で設けられる一乃至複数の接点と、本体部の厚み方向における収納室の壁部を変形させて導電性流体を移動させることによって接点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、注入口を開放する位置と注入口を閉塞する位置との間で移動自在である栓部を収納室内に設けたことを特徴とする接点開閉装置。
2. 前記栓部を構成する材料に磁性材料を含むことを特徴とする請求項１記載の接点開閉装置。
3. 前記栓部を注入口を閉塞する位置に弾性付勢する付勢手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の接点開閉装置。
   

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