JP2008159471A - リレー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性流体の先端位置を調整することを可能とする。
【解決手段】導電性流体５が基体１の内部空間１０に注入された時点では、内部空間１０の圧力が大気圧より低くなっている。この時点で、導電性流体５の先端が流体通路１３の所定の位置を越えている（液溜め部１２側とは反対方向に行き過ぎている）場合がある。このような場合、突起部１６２，１６２のいずれか又は両方を折って、調整用空間１６の上端を開放すると、大気圧より低くなっていた内部空間１０の圧力が、調整用空間１６を介して大気圧まで上がる。これにより、導電性流体５の先端を所定の位置まで移動させる（戻す）ことができる。これに対して、導電性流体５が内部空間１０に注入された時点で導電性流体５の先端が既に所定の位置にあった場合、突起部１６２，１６２はそのままにし、調整用空間１６を開放させる必要はない。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の接点間の導通と絶縁を切り替えるリレー装置に関するものである。

複数の接点間の導通と絶縁を切り替える従来のリレー装置として、特許文献１には、スイッチング流体（導電性流体）を用いて電極（接点）間の導通と絶縁を切り替える流体式スイッチ（第１従来例のリレー装置）が開示されている。特許文献１の流体式スイッチは、複数のキャビティ（内部空間）が基板（基体）に形成され、一のキャビティにスイッチング流体が保持され、他のキャビティに作動流体が保持されているものである。このような構成の流体式スイッチにおいて、作動流体を加熱して作動流体の圧力を変化させると、スイッチング流体は、一のキャビティで形状が変化し、移動し、分岐する。このような一のキャビティでのスイッチング流体の変化に基づいて電極間を導通させたり絶縁させたりする。

ところが、上記第１従来例のリレー装置には、作動流体を加熱する必要があることから、消費電力が大きくなるという問題があった。また、加熱による温度上昇によって品質劣化しやすくなることから、寿命を長くすることができないという問題もあった。

上記問題を解決するものとして、アクチュエータの撓みで、基体に形成された内部空間の容積を変化させることによって、この内部空間に収納された導電性流体が内部空間内を移動し、複数の接点間の導通と絶縁を切り替える第２従来例のリレー装置がある。
特開２００５−１５８７１７号公報（段落０００６〜００３０及び第５〜７図）

しかしながら、上記第２従来例のリレー装置には、初期状態の導電性流体の先端を所定の位置にすることが難しいという問題があった。初期状態の導電性流体の先端位置が複数の接点間の導通と絶縁の切り替えの精度に大きく影響することから、複数のリレー装置間で上記精度のばらつきが大きくなってしまった。

本発明は上記の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、導電性流体の先端位置を調整することを可能とするリレー装置を提供することにある。

請求項１の発明は、流体を収納可能とする内部空間と、弾性変形することで前記内部空間の容積を変化させるダイアフラムとが形成された基体と、それぞれが離隔して前記内部空間に露出する複数の接点と、前記内部空間に収納された導電性流体と、前記ダイアフラムを弾性変形させ、前記導電性流体を前記内部空間内で移動させることで当該導電性流体を介して前記複数の接点間を導通させるアクチュエータとを備え、前記基体に、一端が前記内部空間に連通し他端を大気に開放可能とする調整用空間が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、前記調整用空間の他端を塞ぐように設けられ、取り外されると前記他端を大気に開放させる突起部を備えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、導電性流体を内部空間に注入した後に、必要であれば調整用空間の他端を開放し、内部空間内の圧力を大気圧にすることで、導電性流体の先端位置を調整することを可能とする。

請求項２の発明によれば、調整用空間を容易に大気に開放させることができる。

まず、本発明の実施形態に係るリレー装置の構成について図１を用いて説明する。このリレー装置は、複数の接点間の導通と絶縁を切り替えるものであり、内部空間１０及びダイアフラム１１が形成された基体（積層体）１と、ダイアフラム１１を弾性変形させるアクチュエータ２と、それぞれが離隔して内部空間１０に露出する４つの接点３，３，４，４と、内部空間１０に収納された導電性流体（液体金属）５とを備えている。

基体１は、図１（ｃ）に示すように、シリコン基板６と、このシリコン基板６と接合するガラス基板７と、後述の注入口１５を封止するガラス蓋８とを備えている。

シリコン基板６の下面６０には、図１（ｂ）に示すように、導電性流体５を収納可能とする内部空間１０として、下面６０側（図１（ｂ）の正面側）から見て菱形状に形成された液溜め部１２と、下面６０側から見てＪ字状に形成され一端が液溜め部１２の図１（ｂ）の左側角部と連通する流体通路１３と、液溜め部１２の図１（ｂ）の右側角部と連通する注入用通路１４とが形成されている。流体通路１３は液溜め部１２より断面積が小さく、他端が閉塞されている。また、シリコン基板６には、図１（ｃ）に示すように、注入用通路１４と連通し導電性流体５を外部から注入するための注入口１５が下面６０から上面６１まで貫通して形成されている。注入口１５は、上面６１側から下面６０側に向けて徐々に内径が小さくなるテーパ状のものである。

一方、シリコン基板６の上面６１には、上面６１側（図１（ａ）の正面側）から見て正方形状となるダイアフラム１１が、液溜め部１２の裏側にエッチングによって形成されている。ダイアフラム１１は、弾性変形することで内部空間１０の容積を変化させる。具体的に説明すると、ダイアフラム１１が下側に押されて弾性変形すると内部空間１０の容積が減少する。

また、シリコン基板６には、一端が内部空間１０に連通し他端を大気に開放可能とする調整用空間１６が形成されている。以下、具体的に説明すると、シリコン基板６の下面６０には、２つの調整用空間１６，１６の溝部１６０，１６０が形成されている（図１（ｂ）参照）。それぞれの溝部１６０，１６０から上面６１側に向かって穴部１６１，１６１が形成されている（図１（ｅ）参照）。これら穴部１６１，１６１の一端に対向する上面６１には、２つの円錐状の突起部１６２，１６２が形成されている。突起部１６２は、調整用空間１６の上端を塞ぐように設けられ、取り外されると上端を大気に開放させるものである。なお、突起部１６２は円錐状に限定されるものではなく、例えば円柱状など他の形状であってもよい。また、調整用空間１６は、液溜め部１２より接点３に近い位置で流体通路１３と連通するほうが好ましい。

ガラス基板７には、図１（ｂ）に示すように、下面７０側（図１（ｂ）の正面側）から見てそれぞれが円状となる４つの貫通孔７１，７１，７２，７２が流体通路１３と対向する位置に形成されている。図１（ｄ）に示すように、それぞれの貫通孔７１，７２は下側から上側に向けて徐々に内径が小さくなるテーパ状のものであり、流体通路１３と連通している。ガラス基板７は上面７３を接合面として、液溜め部１２、流体通路１３、注入用通路１４及び調整用空間１６を塞ぐようにシリコン基板６と陽極接合している。

図１（ｃ）に示すガラス蓋８は、導電性流体５が注入口１５から内部空間１０に注入された後、注入口１５を封止するものである。

アクチュエータ２は例えば圧電材料で短冊状に形成されたものであり、図１（ｆ）に示すように、シリコン基板６の上面６１におけるダイアフラム１１の周縁部に長手方向の一端部２０が固着されるとともに、長手方向の他端部２１がダイアフラム１１のピボット１１０に対向している。このアクチュエータ２は通電すると、他端部２１が下側に撓んでピボット１１０を押圧し、ダイアフラム１１を液溜め部１２側に弾性変形させる。一方、アクチュエータ２への通電が停止されると、他端部２１がピボット１１０を押圧する力がなくなり、ダイアフラム１１は元に戻る。

各接点３，４は、図１（ｄ）に示すように、例えば銅やニッケルなど導電性を有する金属材料がガラス基板７の貫通孔７１，７２に設けられたものである。各接点３，４の上側は閉塞し、流体通路１３に露出している。また、図１（ｂ）に示すように、２つの接点３，３は、導電パターン３０を介して電極パッド３１と電気的に接続している。同様に、２つの接点４，４は、導電パターン４０を介して電極パッド４１と電気的に接続している。導電パターン３０，４０及び電極パッド３１，４１はガラス基板７の下面７０上に形成されている。

導電性流体５は例えば水銀などであり、注入口１５（図１（ｃ）参照）から注入されて液溜め部１２及び流体通路１３の一部に移動自在に収納されている。この導電性流体５は、アクチュエータ２の動作停止時において、すべての接点３，３，４，４と接触せず、接点３，３と接点４，４を絶縁させているのに対し、アクチュエータ２の動作時において、内部空間１０の容積が減少することで、先端が流体通路１３内を液溜め部１２とは反対側に移動し、接点３，３と接点４，４を導通させる。その後、アクチュエータ２の動作が停止すると内部空間１０が元に戻り、これに伴って、導電性流体５の先端は流体通路１３内を液溜め部１２側に移動し、すべての接点３，３，４，４と接触しなくなる（図１（ｂ）参照）。

次に、本実施形態に係るリレー装置の製造方法について説明する。最初に導電性流体５の注入前までの工程について図１を用いて説明する。まず、シリコン基板６の下面６０をエッチングして液溜め部１２、流体通路１３、注入用通路１４及び調整用空間１６の溝部１６０を形成し、下面６０から上面６１まで貫通させて注入口１５を形成するとともに、溝部１６０の端部に穴部１６１を形成する（第１工程）。上記シリコン基板６において、注入口１５は上面６１に貫通しているが、調整用空間１６の穴部１６１は上面７３には貫通していない。また、シリコン基板６の上面６１を異方性エッチングして穴部１６１の上端に２つの突起部１６２，１６２を形成し、さらに異方性エッチングしてダイアフラム１１を形成する（第２工程）。第１，２工程とは別に、ガラス基板７に４つの貫通孔７１，７１，７２，７２を形成する（第３工程）。第３工程後、それぞれの貫通孔７１，７２の孔壁をめっきして孔内に金属材料を設けて接点３，４を形成する（第４工程）。また、ガラス基板７の下面７０に導電パターン３０，４０及び電極パッド３１，４１を形成する（第５工程）。第１〜５工程後に、シリコン基板６の下面６０とガラス基板７の上面７３とを対向させて、シリコン基板６とガラス基板７を陽極接合してサンプル９（図２参照）を形成する（第６工程）。なお、第１，２工程と第３〜５工程の順序は限定されるものではなく、どちらの工程を先に行ってもよい。

続いて、導電性流体５の注入工程について図２を用いて説明する。まず、第６工程後、図２（ａ）に示すように、導電性流体５が入った液溜め槽Ｂが設置された真空チャンバＡ内にサンプル９を収納する（第７工程）。このとき、調整用空間１６（図１参照）の上端は塞がっている。また、サンプル９の内部空間１０内の圧力Ｐ１、真空チャンバＡ内の圧力Ｐ２及び真空チャンバＡ外の圧力Ｐ３はすべて等しい。第７工程後、真空チャンバＡの真空引きを行う（第８工程）。圧力Ｐ１〜Ｐ３の関係は、Ｐ１＝Ｐ２、Ｐ１（Ｐ２）＜Ｐ３となる。第８工程後、図２（ｂ）に示すように、サンプル９を液溜め槽Ｂの導電性流体５の中に浸す（第９工程）。第９工程後、図２（ｃ）に示すように、真空チャンバＡ内の圧力Ｐ２を上昇させて、圧力Ｐ１〜Ｐ３の関係をＰ１＜Ｐ２＜Ｐ３とし、液溜め槽Ｂの導電性流体５をサンプル９の内部空間１０に注入する（第１０工程）。図２（ｄ）に示すように、真空チャンバＡ内の圧力Ｐ２を目標値まで上昇させて、導電性流体５を所定量注入する（第１１工程）。第１１工程後に、サンプル９を液溜め槽Ｂから取り出して注入口１５をガラス蓋８（図１（ａ）参照）で封止し、サンプル９を真空チャンバＡ内から取り出す（第１２工程）。

その後、図１に示すように、シリコン基板６のダイアフラム１１の周縁部に一端部２０を固着して、他端部２１をダイアフラム１１のピボット１１０に対向させて、アクチュエータ２を取り付ける（第１３工程）。

次に、本実施形態に係るリレー装置における導電性流体５の先端位置の調整方法について図１を用いて説明する。導電性流体５が内部空間１０に注入された時点では、内部空間１０の圧力が大気圧より低くなっている。この時点で、導電性流体５の先端が流体通路１３の所定の位置を越えている（液溜め部１２側とは反対方向に行き過ぎている）場合がある。このような場合、突起部１６２，１６２のいずれか又は両方を折って、調整用空間１６の上端を開放すると、大気圧より低くなっていた内部空間１０の圧力が、調整用空間１６を介して大気圧まで上がる。これにより、導電性流体５の先端を所定の位置まで移動させる（戻す）ことができる。その後、調整用空間１６の上端を封止する。これに対して、導電性流体５が内部空間１０に注入された時点で導電性流体５の先端が既に所定の位置にあった場合、突起部１６２，１６２はそのままにし、調整用空間１６の上端を開放させる必要はない。

次に、本実施形態に係るリレー装置の動作について図１を用いて説明する。アクチュエータ２への通電が行われていないとき、接点３，３，４，４上には導電性流体５が存在していないので、接点３，４間は絶縁している。その後、アクチュエータ２への通電が行われると、このアクチュエータ２によってダイアフラム１１が図１（ｃ）の下側に弾性変形し、内部空間１０の容積が減少し、導電性流体５の先端が流体通路１３を移動する。これにより、接点３，３，４，４上に導電性流体５が存在するので、導電性流体５を介して接点３，４間は導通する。その後、アクチュエータ２への通電が行われなくなると、ダイアフラム１１の変形が元に戻り、内部空間１０の容積も元に戻るので、導電性流体５の先端が流体通路１３を液溜め部１２側に移動する。これにより、接点３，３，４，４上には導電性流体５が存在しなくなるので、接点３，４間は絶縁する。

以上、本実施形態によれば、導電性流体５を内部空間１０に注入した後に、必要であれば調整用空間１６の上端を開放し、内部空間１０内の圧力を大気圧にすることで、導電性流体５の先端位置を調整することを可能とする。

また、調整用空間１６の上端に、折り取ることが可能な突起部１６２が設けられていることから、内部空間１０への導電性流体５の注入後にユーザが突起部１６２を簡単に折り取ることができるので、調整用空間１６を容易に大気に開放させることができる。

本発明の実施形態に係るリレー装置を示すものであって、（ａ）が上面図、（ｂ）が下面図、（ｃ）がＡ−Ａ’断面矢視図、（ｄ）がＢ−Ｂ’断面矢視図、（ｅ）がＣ−Ｃ’断面矢視図、（ｆ）がＤ−Ｄ’断面矢視図である。 同上に係るリレー装置の導電性流体の注入工程図である。

符号の説明

１ 基体
１０ 内部空間
１２ 液溜め部
１３ 流体通路
１６ 調整用空間
１６２ 突起部
５ 導電性流体

Claims (2)

1. 流体を収納可能とする内部空間と、弾性変形することで前記内部空間の容積を変化させるダイアフラムとが形成された基体と、
   それぞれが離隔して前記内部空間に露出する複数の接点と、
   前記内部空間に収納された導電性流体と、
   前記ダイアフラムを弾性変形させ、前記導電性流体を前記内部空間内で移動させることで当該導電性流体を介して前記複数の接点間を導通させるアクチュエータと
   を備え、
   前記基体に、一端が前記内部空間に連通し他端を大気に開放可能とする調整用空間が形成された
   ことを特徴とするリレー装置。
2. 前記調整用空間の他端を塞ぐように設けられ、取り外されると前記他端を大気に開放させる突起部を備えることを特徴とする請求項１記載のリレー装置。

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