JP2009026568A - スイッチ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素およびその他の不純物との導電性流体の表面の膜状形成物による汚染に対してロバストな構成とし、集積回路サイズに適したスイッチ装置を提供する。
【解決手段】発熱手段（ヒータ）のいずれかを加熱してチャンバ内に充填された気体を膨張させ、その圧力により導電性流体を移動させることで中央部付近に配置された電極と管路の両端付近に配置された電極のうちのいずれかとを導通させるようにしたスイッチ装置において、
中央付近に配置された電極に対向して金属膜を配置するとともに、
中央付近に配置された電極と金属膜は導電性流体に対して濡れる導体材料で形成し、管路の両端側にある電極は導電性流体に対して濡れにくい導体材料で形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、導電性流体により固体電極間の開閉を機械的に行うためのスイッチ装置に関し、より詳細には、集積可能な機械接点式の超小型リレーまたは超小型スイッチで高周波信号帯域においても使用可能なスイッチ装置の構造に関する。

導電性流体を用いたスイッチ装置の従来例として下記に示す文献がある。

特開昭４７−２１６４５号公報 特開２０００−１９５３８９号公報 特開２００２−２６０４９９号公報

図７は上記特開昭４７−２１６４５号公報に示された従来のスイッチ装置の要部を示す構成図である。図において、１，２，３，４は制御信号の入力端子、５は鉄心、６，７は電磁コイル、８はダイヤフラム、９，９'は導電性流体に濡れにくく、かつ電気的絶縁性を有する材料（たとえばガラス）にて構成した細管である。

１０は表面張力が大きく、かつ導電性を有する導電性流体（たとえば水銀やガリンスタンなどの合金）、１１、１２、１３は導電性流体１０に濡れ性を有し、かつ電気的導電性を有する金属たとえばニッケルやパラジウムや白金にて構成される導電筒、１４、１５は導電性流体１０に濡れ性を有さず、かつ電気的絶縁性を有する材料たとえばガラスにて構成された絶縁筒である。

１６，１７，１８は出力端子、１９はガス溜などの駆動されたガスのキャビティ、２０は細管９と導電筒１１との接続部、２１は細管９'と導電筒１３との接続部、２２はガス溜１９の代わりに使用するダイヤフラムである。なお、ダイヤフラム８、ガス溜め１９には不活性ガスが充填されている。

上述の構成において、入力端子１、２に通電すると、コイル７が励磁され、その結果、鉄心５がダイヤフラム８を押圧する。このためダイヤフラム８内部の不活性ガスの圧力が増大し、その圧力が細管９を通って接続部２０に導かれ、導電性流体１０を、他方の細管９'側の接続部２１まで押しやる。この際、ダイヤフラム８の内部の圧力増加を特に大きくしなければ、導電性流体１０は細管９'の入り口で表面張力と細管９'の半径で決まる抵抗力を受け細管９'には侵入しない。

次に、コイル７の励磁をとめると、ダイヤフラム８の内部の圧力は通常に戻るが、導電性流体１０は表面張力と、導電筒１２、１３の濡れとの相関関係により、導電筒１２、１３を接続した形を維持する。これは導電性流体１０の濡れない部分の面積（つまり表面エネルギーが高い部分）を最小にしようとする表面張力がガス溜め１９から受ける押し戻し圧力に勝るように、すなわち導電筒１２、１３に濡れた形で導電性流体位置の保持が維持されるようにガス溜１９の大きさや導電筒１２、１３の径や絶縁筒１４、１５の径が自己保持機能を有するように選択されているからである。

この状態では、出力端子１７，１８間は、導電性流体１０を介して導通状態になる。
次に、入力端子３，４に通電し、コイル６を励磁すると、鉄心５がダイヤフラム８を引っ張るのでダイヤフラム８の内部の圧力が減少し、導電性流体１０をダイヤフラム８側へ引っ張る。

ダイヤフラム８とガス溜め１９の差圧が、導電性流体１０の濡れない部分の表面積増加による導電性流体１０の内圧増加に勝りだしたとき、導電性流体１０は図７の右側方向へ移動を開始し、導電性流体１０を、細管９側の接続部２０まで押しやる。この時、導電性流体１０は細管９の入り口で表面張力と細管９の半径で決まる抵抗力を受け細管９にはダイヤフラム８の内部の圧力減少を特に大きくしなければ、侵入しない。

ここで上記と同じ原理で、導電性流体１０は導電筒１３、１４に濡れた形で導電性流体位置の保持が維持される。
このようにして、コイル７の励磁時に形成された、出力端子１７，１８の導通は、コイル６の励磁にて断たれ、代わって出力端子１６，１７間が導電性流体１０を介して導通状態となる。

以上の説明のように、コイル６、または７をいったん励磁することで、励磁を断った後においても出力端子１６と１７間と、出力端子１７と１８間にそれぞれ、導通、不導通状態が保たれるので、ラッチ型スイッチ装置機能が実現される。

ところで、導電性流体１０は物理的性質として非常に反応性が高く、酸素およびその他の不純物との形成物を常温で容易に生成する。
出力端子１６と１７間と、出力端子１７と１８間にそれぞれ、導通、不導通状態を切り替えるためには、導電筒１１、１３表面で、導電性流体１０を分離する動作が必要になるが、酸素およびその他の不純物によって導電性流体１０の表面に膜状形成物が形成された場合には、導電性流体１０を分離するためのエネルギーが異常に高くなる。

、
導電性流体１０の表面に膜状形成物が形成されると、導電性流体１０を分離するためのエネルギーはおよそ１０〜１０００倍になるため、導電性流体１０を分離できず、結果として導電性流体１０が移動せず、スイッチが動作しないという故障を招く。このような故障はしばらく動作をさせなかった時に頻発する故障形態である。

また、ラッチ型スイッチ機能を実現するにあたり、導電筒１１、１３に対する導電性流体１０の濡れ性がコイル励磁後の導電性流体位置の保持機能の要になるが、酸素およびその他の不純物により形成された導電性流体１０上の膜状形成物が、導電性流体１０の移動に伴い、導電筒１１、１３の表面に付着し、導電性流体１０の濡れ性を阻害するようになる。結果としてスイッチ状態の保持機能が機能しなくなることもある。

以上のように、従来技術構成では、汚染物質に対して非常に弱く、スイッチ機能の信頼性に問題がある。特に小型で集積回路クラスまで小型化を進めようとした場合に、導電性流体１０の体積が小さいほど表面エネルギーが上がるため汚染の影響が顕著になる。

酸素およびその他の不純物が導電性流体１０の細管に入り込まないようにスイッチ装置全体は気密封止パッケージに入れることも考えられるがコストが高くなること、導電筒１１、１２、１３と絶縁筒１４、１５との固定手段も汚染物質を出さない接着方法を考えねばならずガラス溶融などとなり工法の難易度が上がると共に製造コストも高くなる。

他の問題として、従来技術では小型化に適さないという問題点もある。詳しくは、導通、不導通状態を切り替える際、導電筒１１または１３の内面全面の導電性流体１０を露出させ、かつ絶縁筒１４または１５の内面全面を導電性流体１０で覆うまで、表面積を増加させなければならず、内部圧力＝表面積×表面エネルギーであるので、表面積を増やすエネルギーを移動距離と径の断面積で割って算出される差圧が必要になる。

例えば、導電性流体１０が水銀であり、導電筒１１、１２，１３、絶縁筒１４、１５の半径が０．１ｍｍ、導電筒１１、１２，１３の長さが各０．４ｍｍ、絶縁筒１４、１５の長さが各０．３ｍｍのとき、導通、不導通状態を切り替える際のダイヤフラム８とガス溜め９との差圧・Ｐは少なくとも、およそ２０ｋＰａにする必要がある。大きなコイル、もしくは大電流を用いてダイヤフラム８を動作させこの差圧を作るのは容易だが、集積回路サイズでこの差圧を作る機構は容易ではない。

従って本発明は、
１）酸素およびその他の不純物との導電性流体の表面の膜状形成物による汚染に対してロバストな構成とし、
２）スイッチを動作させるために必要な差圧を小さくすることにより、集積回路サイズに適した差圧発生機構でも動作するスイッチ装置を提供することを目的としている。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１記載のスイッチ装置においては、
管路の両端に第１絞りを介して連結された一対のチャンバと、
前記チャンバのそれぞれの内部に配置された発熱手段と、
前記管路内に移動可能に配置された導電性流体と、
前記管路の両端および中央付近に配置された電極と、
からなり、
前記発熱手段のいずれかを加熱して前記チャンバ内に充填された気体を膨張させ、その圧力により前記導電性流体を移動させることで前記中央部付近に配置された電極と前記管路の両端付近に配置された電極のうちのいずれかとを導通させるようにしたスイッチ装置において、
前記中央付近に配置された電極に対向して金属膜を配置するとともに、
前記中央付近に配置された電極と前記金属膜は導電性流体に対して濡れる導体材料で形成し、前記管路の両端側にある電極は導電性流体に対して濡れにくい導体材料で形成したことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載のスイッチ装置において、
前記管路に前記導電性流体の移動を妨げない程度の気体流通路を設けたことを特徴とする。

請求項３においては、請求項１または２に記載のスイッチ装置において、
前記流路の中央付近に配置された電極と、前記流路の両端付近に配置された電極の間のそれぞれに第２絞りを設けたことを特徴とする。

請求項４においては、請求項１乃至３のいずれかに記載のスイッチ装置において、
前記第２絞りの断面積を前記第１絞りの断面積より大きく形成したことを特徴とする。

請求項５においては、請求項１乃至４のいずれかに記載のスイッチ装置において、
前記導電性流体は、水銀、ガリウム、ナトリウムカリウム、又はガリンスタンのいずれかひとつを含むことを特徴とする。

請求項６においては、請求項１乃至５のいずれかに記載のスイッチ装置において、
前記端部側にある導電性流体に対して濡れにくい電極導体材料はクロム、チタン、酸化ニッケルまたは酸化銅のいずれかひとつを含むことを特徴とする。

請求項７においては、請求項１乃至６のいずれかに記載のスイッチ装置において、
前記中央部付近に配置された少なくとも一つの導電性流体に対し濡れる電極はプラチナ、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛およびそれらの合金膜または積層膜のいずれかひとつを含むことを特徴とする。

請求項８においては、請求項１乃至７のいずれかに記載のスイッチ装置において、
前記チャンバおよび管路となる穴が形成された第１基板と、
前記第１基板を挟んで張り合わされた第２、第３基板とからなり、
前記第１、第２、第３基板のいずれかに前記第１絞りを形成したことを特徴とする。

請求項９においては、請求項１乃至８のいずれかに記載のスイッチ装置において、
前記一対のチャンバ内にある発熱手段が中空に配置された電気抵抗体であることを特徴とする。

請求項１０においては、請求項１乃至９のいずれかに記載のスイッチ装置において、
前記管路の両端および中央付近に配置された電極および発熱手段から外部に対する配線を、第２、第３基板の少なくとも一方に設けられた埋め込み型貫通スルーホールで構成したことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明によれば、次のような効果がある。
請求項１，５，６，７に記載の発明によれば、中央付近に配置された電極に対向して金属膜を配置するとともに、中央付近に配置された電極と金属膜は導電性流体に対して濡れる導体材料で形成し、管路の両端側にある電極は導電性流体に対して濡れにくい導体材料で形成したので、導電性流体１０の分離、連結といった動作を利用せずに導電性流体が常に一体として移動することにより、酸素およびその他の不純物により、導電性流体の表面の膜状形成物ができた場合においても、図７に示す従来例のように導電性流体の表面状態の変化の影響を受けやすい構成に比べ、格段にスイッチ動作の信頼性をあげることができ、両端の電極は、濡れにくい材質を用いているので、常に少ないエネルギーで動作するラッチ型ＳＰＤＴスイッチ装置を構成できる。

請求項２に記載の発明によれば、管路に導電性流体の移動を妨げない程度の気体流通路を設けたので、一方のチャンバ側の圧力が高くなっても、そのチャンバ側の圧力は気体流通路を通って他方のチャンバ側に抜け、圧力差が緩和されるので導電性流体が押し戻されることがなく接続状態を維持することができる。

請求項３，４に記載の発明によれば、流路の中央付近に配置された電極と、流路の両端付近に配置された電極の間のそれぞれに第１絞りの断面積より大きく形成した第２絞りを設けたので、振動や衝撃に強いスイッチ装置を実現することができる。

請求項８に記載の発明によれば、チャンバおよび管路となる穴が形成された第１基板を挟んで第２、第３基板張り合わされたので、膜質のよい電極膜や金属膜が形成できる。また、細管の細い溝を制御よく形成することが可能になる。更に、管路がレーザー加工で形成可能となり、加工工程を簡略化することができる。

請求項９によれば、一対のチャンバ内にある発熱手段を中空に配置したので、少ないエネルギーでヒータの温度上昇が可能となる。また熱容量が小さくなるため高速のスイッチ切り替えが可能になる。更に、少ないエネルギーで駆動できるので、スイッチのオンオフの繰り返しの周期を早くすることができる。

請求項１０によれば、管路の両端や中央付近に配置された電極および発熱手段から外部に対する配線を、埋め込み型貫通スルーホールで構成したので、高周波信号に対応でき、導電性流体の表面状態の変化の影響を受けにくく、各基板の平面度が向上し、基板間の接着性が向上するので、信頼性の向上を図ることができ、接着技術の選択範囲を広げることができる。

以下に添付図面を参照して本発明の好適実施形態となるスイッチ装置について詳細に説明する。図１（ａ〜ｃ）は導電性流体を用いたスイッチ装置の構成を示すもので、図１（ａ）は、導電性流体が第１の状態に置かれるスイッチ装置の断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の線Ａ−Ａ断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ'断面図である。
なお、図１（ｄ）はこのスイッチが出力（入力）端子３と入力（出力）端子１または入力（出力）端子の切換えを行うＳｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ（ＳＰＤＴ）を構成している状態を示す図である。

図１（ａ〜ｃ）に示すように、本実施例のスイッチ装置は、第１、第２基板５１，５２
を合せて形成される。このスイッチ装置は導電性流体１０を含む単一の細長い管路３１、ヒータ（気体加熱手段）３２、３３が収納された一対のチャンバ３８、３９、チャンバ３８、３９と管路３１とをそれぞれ相互に連結させ、絞りとして機能する細管９、９'を有している。

管路３１の長さ方向に沿って離間した４箇所には、電極４１、４２、４３および金属膜４７が形成されており、電極４２と金属膜４７は管路３１内の中央で対向するように配置されている。

また、電極４１、４２、４３のそれぞれは、第２基板５２上に形成される導電配線４４、４５，４６により外部の回路（図示省略）と接続される。
図１（ａ）に示す状態では導電性流体１０を介し電極４１、４２間のみでの電気的な導通が実現される。

導電性流体１０は、水銀、ガリウム、ガリンスタン又はナトリウムカリウム等の材料から選択される。チャンバ３８、３９内、細管９、９'、及び管路３１の導電性流体１０が占める部分以外の空間には、還元性気体で熱伝導度が高い水素、窒素、アルゴン又はヘリウム等の不活性気体又はそれらと同様に機能する非導電性流体が１〜２０気圧までの間で充填されている。

管路３１の断面形状は、図１（ｃ）では四角形（台形を含む）としたが、蒲鉾型でも、三角形でも良い。
細管９、９'は管路３１に比べ断面積が１／４以下の細いものであれば断面形状は、管路３１同様、四角形、台形、蒲鉾型、三角形でも良い。

チャンバ３８、３９は、その空間体積が管路３１内での導電性流体１０の移動による体積変化分の１０倍以上あるものとし、断面形状は四角形、台形、蒲鉾型、三角形、台形の何れでも良い。
図２は、図１のスイッチ装置１０が動作することにより導電性流体１０の一部が向かって右側に移動した後の第２の状態を示すスイッチ装置の断面図である。

上述の構成において、安定性の高いスイッチ動作を行なうために重要となるのが、電極４１、４２、４３および金属膜４７と導電性流体１０との間での濡れの性質である。電極４１と電極４３においては、導電性流体１０と濡れにくい導電材料で形成され、電極４２および金属膜４７は導電性流体１０と大きく濡れる導電材料で形成されている。

また、電極４２および金属膜４７は管路３１内で図１（ｂ）に示すように対向して所定の間隙を置いて配置されている。なお、電極４１と電極４３は、クロム、チタン、酸化ニッケルまたは酸化銅で形成されており、電極４２と金属膜４７は、プラチナ、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛およびそれらの合金膜または積層膜で形成されている。

電極４１と電極４３が導電性流体１０と濡れにくい導電材料で形成されていることと、電極４２および金属膜４７とが管路の内周において連結しておらず、所定の間隙を置いて配置されていることが、図７に示す従来のスイッチ装置とは大きく異なるところである。

第１，第２基板５１、５２は絶縁性材料例えばガラス、セラミック（アルミナ、窒素アルミ、その他の金属酸化物の焼結物またはそれらの混合焼結物）など、もしくは半絶縁性半導体材料例えばガリウム砒素化合物単結晶、もしくは高抵抗性半導体材料例えばＰ⁻ドープシリコン基板で構成され、導電性流体１０とは濡れない材料である。

第２基板５２の裏面には接地金属面５３が形成されており、この接地金属面５３と導電配線４４、４５，４６の幅により導電配線４４、４５，４６が所望の特性インピーダンスになるように設計されている。

図１（ａ）に示す状態では導電性流体１０を介し電極４１、４２間のみでの電気的な導通が実現される。同時に、電極４２、４３間は、所定の間隙を置いて配置され、その間隙部分は不活性気体又は非導電性流体で占められているので、電気的な導通は無い。
この状態で、ヒータ３２によりチャンバ３８内の不活性気体又は非導電性流体を加熱すると、チャンバ３８内の不活性気体又は非導電性流体が熱膨張して圧力が上昇する。

その上昇した圧力が細管９'を介して管路３１内に及ぶ。ここで、管路３１内の導電性流体１０は、電極４１付近または電極のない部分では壁面には濡れておらず、管路３１周方向の断面としては表面張力により概円形をしており管路３１の導電性流体１０の間には間隙がある。

さらに電極４２付近においても、電極４２、金属導体４７は導電性流体１０に強く濡れるがそれらの間には間隙があり、濡れない基板部分が露出して図１（ｃ）に示す間隙５４乃至５７が生じ、結果として、上記熱膨張における圧力上昇は管路３１の端部にある間隙５４乃至５７を通り、チャンバ３９に抜けようとする。

間隙５４乃至５７は電極４２と金属膜４７のサイズを管路３１の幅に対して適切に選択することで間隙５４乃至５７の断面は細くなるようにし、さらに、ヒータ３２による温度上昇を極めて急であるように設定しておけば、間隙５４乃至５７を介しての圧力抜けは制限されることとなる。

ここで間隙５４乃至５７を通り抜けられなかった気体による管路３１での圧力上昇が、導電性流体１０を押して図１（ａ）の管路３１の長手方向に沿って移動を開始させることとなる。ここで、電極４１は導電性流体に接触はしているものの濡れてないので、導電性流体１０は一体のまま、右側に移動する。この時、従来例のように導電性流体１０を分離せずにすむので、たとえ管路３１内の不純物による反応物が導電性流体１０の表面上にあったとしてもその影響は小さい。

導電性流体１０の移動に必要なチャンバ３８の圧力上昇は、ヒータ３２を過熱する前の１．２〜１．３倍程度である。また、電極４２ないし金属膜４７のサイズは管路３１の幅に対して、０．７〜１．０程度とする。または、管路３１の壁面に対向する形で、間隙をもって配置しても良い。

導電性流体１０の移動における末尾部が電極４１から離れ、先頭部分が電極４３に接触した状態から図２の状態に至る間で、ヒータ３２の加熱は止められる。チャンバ３８の余圧と導電性流体１０の移動の慣性力により、導電性流体１０は管路３１の右側に至り、図２の状態となる。このとき、導電性流体１０の移動に伴い体積減少分チャンバ３９の不活性気体又は非導電性流体の圧力も上昇する。

上述の通り、チャンバ３８、３９はその空間体積が管路３１内での導電性流体１０の移動による体積変化分の１０倍以上あるように設定されているので、導電性流体１０の移動に伴うチャンバ３９の圧力は、移動前の１．１倍以下である。
ヒータ３２の加熱が止まったあとにおいては、ヒータ３２の加熱時にくらべ時間をかけて除熱されるので、徐々にチャンバ３８の圧力が下がる。

このとき、チャンバ３９側の圧力の方は導電性流体１０の移動に伴う圧力上昇なので、チャンバ３９側の圧力の方が相対的に高くなろうとするが、除熱に従ってゆっくりとした変化なので、チャンバ３９側の圧力は間隙５４乃至５７を通ってチャンバ３８側に抜け、圧力差ができようとした場合にもその差が緩和され、導電性流体１０が押し戻されることはなく、図２の状態を維持する。

即ち、導電性流体１０を介し電極４２、４３間のみでの電気的な導通が実現される。
細管９は管路３１に比べ断面積が１／４以下と細く、導電性流体１０は表面張力が一般に高いので細管９に導電性流体１０が入り込むことは通常動作ではない、仮に入ったとしてもチャンバ３９に達しない限り、表面張力により管路３１内に引き戻される。

逆の動作として、図２に示す第２状態でヒータ３３を動作させてチャンバ３９を加熱することにより、図１（ａ）に示す第１状態に復帰させることができる。即ち、ヒータ３３によりチャンバ３９内の気体を加熱すると、チャンバ３９内の気体が膨張するので、これにより細管９を介し、導電性流体１０の右側の管路３１内空間においても圧力が上昇する。

ヒータ３３による温度上昇は極めて急であるように設定されるので、細い間隙５４乃至５７を介しての圧力抜けは制限され、導電性流体１０の右側の管路３１内空間においても圧力が上昇する。従って、上昇した圧力によって導電性流体１０が押されて、左側へ移動し、図１(ａ)の状態になる。

導電性流体１０の移動における末尾部が電極４３から離れ、先頭部分が電極４１に接触したあたりから図１(ａ)の状態に至る間で、ヒータ３３の加熱は止められる。ヒータ３３の加熱が止まったあとにおいては、ヒータ３３の加熱時にくらべ時間をかけて除熱されるので、徐々にチャンバ３９の圧力が下がる。

このとき、チャンバ３８側の圧力の方は導電性流体１０の移動に伴う圧力上昇を起こし、チャンバ３８側の圧力の方が相対的に高くなろうとするが、除熱に従ったゆっくりとした温度、即ち、気圧変化なので、チャンバ３８側の圧力は間隙５４乃至５７を通ってチャンバ３９側に抜け、圧力差ができようとした場合にもその差が緩和され、導電性流体１０が押し戻されることはなく、図１(ａ)の状態を維持する。

上述同様細管９'には導電性流体１０が入り込んだ状態では安定せず図１(ａ)の状態となる。従って、上述の実施形態のスイッチ装置によれば、ヒータ３２、３３にエネルギーを与えることにより図１(ｄ)に示すようなＳＰＤＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ）スイッチのスイッチング動作が実現される。

図３は第２の実施例を示す断面構成図である。この図は図１（ｂ，ｃ）に示すＤ−Ｄ’面から基板５１側すなわち管路３１側を見た図である。
この実施例では管路３１内の長手方向の中央から等距離はなれた２箇所に基板５１から第２の絞りとして機能する凸状突起物６１乃至６４が基板５１の材料を利用して構成されている。なお、その他の部分は図１（ａ〜ｃ）と同様なのでここでの説明は省略する。

図１（ａ〜ｃ）に示す実施例では、導電性流体１０のラッチ状態での維持保持の力が重力とわずかな摩擦力だけなので、動作時に管路３１の長手方向がが水平である必要があり、使用に際し方向性が規定されてしまう。また、振動や衝撃が加わると容易にスイッチが切り替わってしまうという問題がある。

従って、図３に示すように、管路３１内に基板５１にて凸状突起物６１乃至６４を形成する。導電性流体１０の移動開始は、図３に示す構成によれば、導電性流体１０は凸状突起物６２および６４を乗り越える必要があり、乗り越える際には導電性流体１０の表面積増加により余計に力を要することとなり、ラッチでの維持保持力として凸状突起物６１乃至６４が機能する。ラッチでの維持保力は凸状突起物６１乃至６４の対向対間の距離と断面積に反比例する。

導電性流体１０は表面張力が大きいので、図３の構造を小さくすれば導電性流体１０の容量を小さく抑えられるので、凸状突起物６１乃至６４の対向対間の距離を最適化することにより、導電性流体１０の維持保持性能は重力はもとより例えば１ｍ程度の高さからの落下衝撃にも耐えうる設計が可能になる。ただし、当然のことながら動作に必要な圧力即ちヒーターの温度上昇量は増大する。

図４（ａ〜ｃ）は第３の実施例を示す断面構成図である。図４（ａ）は管路３１に沿った面（図１（ａ）のＡ−Ａ’）での断面図であり、図４（ｂ）は図４のＣ−Ｃ’面から第３基板５０側を見た図である。図４（ｃ）は図４（ａ）のＤ−Ｄ’面から第１基板５１側を見た図である。
なお、その他の部分は図１（ａ〜ｃ）と同様なのでここでの説明は省略する。

第３の実施例では、スイッチ装置は第１乃至第３基板５０，５１，５２の３枚の絶縁性材料もしくは半導体材料からなる基板の張り合わせで構成される。
基板５０には導電性流体１０に濡れる材料で構成される金属導体４７および管路５９、５９’をＣ−Ｃ’面に形成した後、張り合わされる。基板５１には管路３１、ヒータキャビティ３８、３９を形成した後、張り合わされる。基板５２には、ヒータ３２，３３、電極４１，４２、４３、および導電配線４４、４５，４６を形成した後、張り合わされる。張り合わせの技術としては陽極酸化接着、ＳｉＯ_２などの溶融接着、もしくはエポキシ樹脂、フッ素樹脂などの有機系材料を使った接着層を用いて熱圧着などで接着する。

上述の構成によれば、第３基板５０の平面上に金属導体４７を形成できるため、膜質のよい電極や金属膜が形成できる。また、細管５９、５９’と管路３１、ヒータキャビティ３８、３９との形成工程を分けられるため、管路５９、５９’の浅く細い溝を制御よく形成することが可能になる。例えば、管路５９、５９’はレーザー加工にて形成できる。第１基板５１は１００μｍ〜２００μｍと薄い基板になるため、工程は単純で数少ない方がよく、管路３１、ヒータキャビティ３８、３９の形成工程は同一とし、一回の工程で形成できる。

図５は第４の実施例を示すもので、管路３１に沿った面（図１（ａ）のＡ−Ａ’）の断面構成図である。図１（ｂ）と異なる部分はヒータ３２、３３を中空構造で形成し、ヒータの下側の基板５２内にもチャンバ５４，５５を形成したものである。
なお、その他の部分は図１（ａ〜ｃ）と同様なのでここでの説明は省略する。

上述の構成によれば、ヒータ３２、３３が中空構造で形成されているので、少ないエネルギーでヒータの温度上昇が可能になる。また熱容量が小さくなるため高速のスイッチ切り替えが可能になる。また、少ないエネルギーで駆動できるので、スイッチのオンオフの繰り返しの周期を早くすることができる。

図６（ａ〜ｃ）は第５の実施例を示すもので、図６（ａ）は、管路３１に沿った面での（図６（ｂ）、図６（ｃ）のＡ−Ａ’）断面図であり、図６（ｂ）は、図５のＤ−Ｄ’面から第２基板５２側を見た図である。図６（ｃ）は基板５２の裏面の平面図である。

第５の実施例では、電極４１、４２、４３の引き出しを、基板５２を貫通する埋め込み型のスルーホール７１，７２，７３で形成し、基板５２の裏面の電極６７，６８，６９に半田ボール７０を各々取り付け、ボールグリッドアレイ状のパッケージに導電性流体１０を使用するものである。

裏面電極６７，６８，６９の半田ブリッジを防止するため、第２基板５２の裏面の接地金属５３に半田ボールランドを形成するが、半田ボール７０がない部分には半田レジスト７４が塗布される。

ヒータ３２，３３の電極も同様に第２基板５２を貫通する埋め込み型のスルーホール、第２基板５２の裏面の電極、半田ボール７０を各々介して裏面より取り出される。
接地金属５３も同様に半田レジスト７４によって形成されたパッドおよび半田ボール７０を介し基板５２裏面に取り出される。

上述の構成によれば、信号電極を接地金属で取り囲んだインピーダンス制御ができる構造なので高周波信号に対応できる。また、実装が容易なボールグリッドアレイタイプのパッケージなので導電性流体１０の表面状態の変化の影響を受けにくくすることができる。
更に、基板接着部の配線導体による凸形状をなくせるため、各基板の平面度が上がり、基板間の接着性が向上し、信頼性の向上、接着技術の選択範囲を広げることができる。

上記本発明のスイッチ装置の応用範囲としては、１Ｇｂｐｓ以上の信号を扱うシステムＬＳＩやメモリＩＣをテストするＡＴＥテスターの信号開閉・切り替え部分、高周波・高速信号を扱う計測器の減衰量切り替え、フィルター切り替え部分、移動体通信の基地局のアンテナ切り替えやバンド切り替え、ディジタル放送機器の回線切り替え器などがある。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明の実施形態の一例を示すスイッチ装置の構成を示す断面図である。 スイッチが切り替わった状態を示す断面図である。 他の実施例を示すスイッチ装置の構成を示す断面図である。 他の実施例を示すスイッチ装置の構成を示す断面図である。 他の実施例を示すスイッチ装置の構成を示す断面図である。 他の実施例を示すスイッチ装置の構成を示す断面図である。 従来例を示すスイッチ装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１，２，３，４ 入力端子
５ 鉄心
６，７ 電磁コイル
８ 第１ダイアフラム
９，９’ 細管（第１絞り）
１０ 導電性流体
１１，１２，１３ 第１筒体
１４，１５ 第２筒体
１６，１７，１８ 出力端子
１９ キャビティ
２０，２１ 接続部
２２ 第２ダイアフラム
３１ 管路
３２，３３ 発熱手段（ヒータ）
３８，３９，５８，５９ チャンバ
４１，４２，４３ 電極
４４，４５，４６ 導電配線
４７ 金属膜
５０ 第３基板
５１ 第１基板
５２ 第２基板
５３ 接地金属
５４〜５７ 間隙
６１〜６４ 突状突起物（第２絞り）
６７，６８，６９ 裏面電極
７０ はんだボール
７１，７２，７３ スルーホール
７４ はんだレジスト

Claims (10)

1. 管路の両端に第１絞りを介して連結された一対のチャンバと、
   前記チャンバのそれぞれの内部に配置された発熱手段と、
   前記管路内に移動可能に配置された導電性流体と、
   前記管路の両端および中央付近に配置された電極と、
   からなり、
   前記発熱手段のいずれかを加熱して前記チャンバ内に充填された気体を膨張させ、その圧力により前記導電性流体を移動させることで前記中央部付近に配置された電極と前記管路の両端付近に配置された電極のうちのいずれかとを導通させるようにしたスイッチ装置において、
   前記中央付近に配置された電極に対向して金属膜を配置するとともに、
   前記中央付近に配置された電極と前記金属膜は導電性流体に対して濡れる導体材料で形成し、前記管路の両端側にある電極は導電性流体に対して濡れにくい導体材料で形成したことを特徴とするスイッチ装置。
2. 前記管路に前記導電性流体の移動を妨げない程度の気体流通路を設けたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ装置。
3. 前記流路の中央付近に配置された電極と、前記流路の両端付近に配置された電極の間のそれぞれに第２絞りを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチ装置。
4. 前記第２絞りの断面積を前記第１絞りの断面積より大きく形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスイッチ装置。
5. 前記導電性流体は、水銀、ガリウム、ナトリウムカリウム、又はガリンスタンのいずれかひとつを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のスイッチ装置。
6. 前記端部側にある導電性流体に対して濡れにくい電極導体材料はクロム、チタン、酸化ニッケルまたは酸化銅のいずれかひとつを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のスイッチ装置。
7. 前記中央部付近に配置された少なくとも一つの導電性流体に対し濡れる電極はプラチナ、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛およびそれらの合金膜または積層膜のいずれかひとつを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のスイッチ装置。
8. 前記チャンバおよび管路となる穴が形成された第１基板と、
   前記第１基板を挟んで張り合わされた第２、第３基板とからなり、
   前記第１、第２、第３基板のいずれかに前記第１絞りを形成したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のスイッチ装置。
9. 前記一対のチャンバ内にある発熱手段が中空に配置された電気抵抗体であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のスイッチ装置。
10. 前記管路の両端および中央付近に配置された電極および発熱手段から外部に対する配線を、第２、第３基板の少なくとも一方に設けられた埋め込み型貫通スルーホールで構成したことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のスイッチ装置。