JP4386013B2

JP4386013B2 - 接点開閉装置

Info

Publication number: JP4386013B2
Application number: JP2005252201A
Authority: JP
Inventors: 浩司横山; 利一魚留; 英一古久保
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: JP2007066728A

Description

本発明は、液体金属のような導電性流体を介して接点を開閉する接点開閉装置に関するものである。

従来、液体金属のような導電性流体を介して接点を開閉する接点開閉装置が種々提案されている。例えば、特許文献１には、所定の体積を持ち、その内部の空気を加熱するヒータが設置されている能動貯蔵庫と、能動貯蔵庫と所定の間隔に離隔されてその内部にヒータが設置されている、同一な体積を持つ受動貯蔵庫と、能動貯蔵庫と受動貯蔵庫の間の空間に延長されて液体金属の移動路としての役割を果すチャンネルと、互いに離隔されてチャンネルの所定の領域で各々チャンネルの内部に一端が挿入され外部に伸びる第１信号電極と、第１信号電極と一定の間隔に離隔されて同一な形状で形成された第２信号電極と、チャンネルの内部に実装されて第１信号電極と第２信号電極の接点としての役割を果す液体金属と、半導体基板の上、下側面に接合された上、下部ガラス基板とを備え、ヒータに通電して能動貯蔵庫又は受動貯蔵庫内の空気を加熱して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信号電極と第２信号電極とを液体金属を介して導通させるオン状態と導通させないオフ状態とを切り換えるようにした熱駆動型のマイクロリレーが開示されている。
特開平９−１６１６４０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来例は、能動貯蔵庫並びに受動貯蔵庫内の空気をヒータで加熱して膨張させた空気によってチャンネル内部の液体金属を移動させているので、ヒータの通電開始から液体金属が移動してオン・オフが切り換わるまでの時間（動作時間）が比較的に長くなって応答性が低いという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、熱駆動型のものに比較して接点を開閉する動作時間が短縮できる接点開閉装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、導電性を有する流体を移動自在に収納する収納部が設けられた半導体基板と、収納部内に露出する複数の接点が設けられて半導体基板の表面に接合される絶縁基板と、半導体基板を部分的に変形させて収納部内で導電性流体を移動させるアクチュエータとを備え、半導体基板においてアクチュエータにより変形させられる部分がダイアフラム状に形成されるとともに当該ダイアフラム状の部分から突出してアクチュエータに当接する突部が半導体基板に設けられるとともに、アクチュエータによる半導体基板の部分的な変形の変形量を規制する規制手段が半導体基板又は絶縁基板に設けられた接点開閉装置であって、当該規制手段は、アクチュエータと対向する半導体基板の一面に設けられ、変形量が所定量を超える前にアクチュエータに当接する当接部からなることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、突部は、各角部が面取りされた略角柱形に形成されたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、突部は、アクチュエータに当接する先端部分が先細りとなる角錐台形又は円錐台形に形成されたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３の何れかの発明において、半導体基板の表面に設けられた凹所にアクチュエータの一部を嵌合してなることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４の何れかの発明において、アクチュエータは、突部を挟んで対向する両端部が半導体基板に固定された両持ち梁構造を有することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜４の何れかの発明において、アクチュエータは、突部を挟んで対向する一方の端部が半導体基板に固定された片持ち梁構造を有することを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１〜６の何れかの発明において、アクチュエータは、弾性材料からなる板状のシムと該シムの片面に取着される板状の圧電素子を有する圧電振動体からなることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１〜６の何れかの発明において、アクチュエータは、弾性材料からなる板状のシムと該シムの両面に取着される板状の一対の圧電素子を有する圧電振動体からなることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項７の発明において、圧電素子並びにシムの端部を半導体基板の外側にはみ出させたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、アクチュエータで半導体基板を部分的に変形させることにより収納部内で導電性流体を移動させるため、空気の熱膨張によって液体金属を移動させる熱駆動型の従来例に比較して接点を開閉する動作時間が短縮できる。また、半導体基板においてアクチュエータにより変形させられる部分がダイアフラム状に形成されているので、半導体基板の変形させられる部分の剛性を低下させてアクチュエータに必要な駆動力が低減できる。さらに、ダイアフラム状の部分から突出してアクチュエータに当接する突部が半導体基板に設けられているから、突部のない場合に比較してダイアフラム状の部分に対するアクチュエータの押し位置が安定する。しかも、ダイアフラム状の部分が過度に変形するのを防ぐとともに変形量を略一定にすることができる。

請求項２の発明によれば、各角部が面取りされた略角柱形に突部を形成することにより、角部への応力集中を抑えて角部の欠け等の発生を防ぐことができる。

請求項３の発明によれば、アクチュエータに当接する先端部分が先細りとなる角錐台形又は円錐台形に突部を形成することにより、突部の先端部分に均等に力が加えられて突部の破損等の発生を防ぐことができる。

請求項４の発明によれば、凹所にアクチュエータの一部を嵌合することで半導体基板に対するアクチュエータの位置決めが行える。

請求項５の発明によれば、アクチュエータを両持ち梁構造としたことにより、突部の角部分にアクチュエータが片当たりすることがないから突部の破損等の発生を防ぐことができる。

請求項６の発明によれば、アクチュエータを片持ち梁構造としたことにより、両持ち梁構造の場合に比較して全体の小型化が図れる。

請求項７の発明によれば、ユニモルフ型の圧電振動体でアクチュエータを構成することにより、電圧駆動型の接点開閉装置が実現できる。

請求項８の発明によれば、バイモルフ型の圧電振動体でアクチュエータを構成することにより、ユニモルフ型の圧電振動体で構成する場合に比較してアクチュエータの駆動力が大きくなって動作時間がさらに短縮できる。

請求項９の発明によれば、アクチュエータを構成する圧電素子並びにシムの端部を半導体基板の外側にはみ出させているので、はみ出させた部分に電圧印加用の配線を接続することができる。

（実施形態１）
本実施形態の接点開閉装置は、図１に示すように導電性を有する流体３を移動自在に収納する収納部２が設けられた半導体基板１と、収納部２内に露出する複数の接点４が設けられて半導体基板１の表面に接合される絶縁基板５と、半導体基板１の絶縁基板５との接合面と反対側の面に形成され半導体基板１を部分的に変形させて収納部２内で導電性流体３を移動させるアクチュエータ６とを備える。

半導体基板１は単結晶のシリコン基板からなり、表面（図１（ｃ）における上面）には矩形溝状の凹部１ａが設けられ、裏面（図１（ｃ）における下面）には収納部２を形成するための凹所が設けられており、凹部１ａの底部分が薄膜状のダイアフラム部１ｂとなっている。また、ダイアフラム部１ｂの中心には角錐台形の突部１０が突出させてある。なお、詳しい説明は省略するが、凹部１ａや凹所並びに突部１０はエッチング等の周知の半導体製造プロセスを利用して形成可能である。

絶縁基板５は例えばガラス基板からなり、外形寸法が半導体基板１とほぼ同一であって半導体基板１の裏面に陽極接合によって接合されている。すなわち、絶縁基板５を半導体基板１の裏面に接合して凹所の開口を閉塞することにより、導電性流体３を収納する収納部２が形成されるのである。

収納部２は、図１（ｂ）に示すようにアクチュエータ６によるダイアフラム部１ｂの変形（撓み）に伴って容積が減少する空洞部２ａと、導電性流体３の移動方向に直交する断面の面積が空洞部２ａよりも狭く且つ一端側で空洞部２ａに連結するとともに他端側に複数の接点４が露出する溝部２ｂと、導電性流体３の移動方向に直交する断面の面積が空洞部２ａよりも狭く且つ一端側で空洞部２ａに連結するとともに他端側に導電性流体３を収納部２内に注入するための注入口２ｄが設けられた注入用溝部２ｃとを有する。空洞部２ａは、平面視略菱形に形成されて半導体基板１の厚み方向（図１（ｃ）における上下方向）においてダイアフラム部１ｂの直下に配置されている。溝部２ｂは、平面視略鈎形の幅細い形状に形成され、注入用溝部２ｃは、平面視略矩形の溝部２ｂよりも若干幅の広い形状に形成されている。なお、注入用溝部２ｃの先端部に設けられる注入口２ｄは、半導体基板１を厚み方向に貫通する形で注入用溝部２ｃに連通する円錐台形状に形成されており、導電性流体３が注入された後、ガラスにより短冊状に形成された蓋７で閉塞される。但し、注入口２ｄの形状の円錐台形状に限定されるものではなく、例えば円筒形状や角錐台形状等の他の形状でも構わない。

収納部２内に収納される導電性流体３は、常温常圧（２５℃、１気圧）で液体の金属（例えば、水銀）からなり、溝部２ｂの先端側に空気を閉じ込めるようにして注入口２ｄから注入用溝部２ｃを通して収納部２内に注入される。ここで、絶縁基板５には厚み方向に貫通する複数の貫通孔（スルーホール）５ａが溝部２ｂの先端側の部分に連通するようにして列設され、その内周面と底面（図１（ｄ）における上面）並びに開口端の周囲には半田めっき層が形成されており、溝部２ｂ内に露出する底面の半田めっき層が接点４を構成している。但し、半田の代わりに他の金属によってめっき層を形成しても構わない。また、図１（ｂ）に示すように絶縁基板５の裏面には一対の電極パッド８₁，８₂と、一方の電極パッド８₁と何れか２つの貫通孔５ａの半田めっき層とを接続する配線パターン９₁と、他方の電極パッド８₂と何れか残り２つの貫通孔５ａの半田めっき層とを接続する配線パターン９₂とが形成されている。ここで、溝部２ｂの先端側において導電性流体３の先端が停止する位置を高い精度で制御することは非常に困難であるので、本実施形態においては、２つの電極パッド８₁，８₂に接続される接点４を溝部２ｂに沿って交互に並べ、導電性流体３の停止位置に応じて不要な接点４に接続されている配線パターン９₁又は９₂の一部をレーザ等で切断するようにしている。このように導電性流体３の溝部２ｂ内における停止位置に応じて、配線パターン９₁又は９₂の一部をレーザ等で切断することで不要な接点４を電極パッド８₁又は８₂から切り離せば、導電性流体３の注入時に溝部２ｂ内における停止位置を高い精度で制御する必要がなくなるのである。なお、図２に示すように溝部２ｂを蛇行した形状（例えば、略Ｓ字形状）に形成すれば、半導体基板１の寸法を大型化せずに接点４同士の間隔（溝部２ｂに沿った距離）を伸ばすことができて導電性流体３の停止位置の管理がさらに容易になる。

アクチュエータ６は扁平な棒状に形成された圧電振動子からなり、先端部を凹部１ａと対向させると同時に突部１０の先端に当接させる形で半導体基板１の表面に接合された片持ち梁構造を有している。すなわち、アクチュエータ６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６の先端部がダイアフラム部１ｂに近づく向きに撓んで突部１０を押圧し、半導体基板１のダイアフラム部１ｂを空洞部２ａ側へ変形させる（撓ませる）。そして、電圧の印加を停止すればアクチュエータ６が突部１０を押圧しなくなってダイアフラム部１ｂが元の形に復帰する。

次に、本実施形態の接点開閉装置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６がダイアフラム部１ｂを変形させず、導電性流体３が初期位置で停止しているために電極パッド８₁，８₂と接続されている接点４が開成されている（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６を駆動すると、アクチュエータ６の先端部が突部１０を押圧してダイアフラム部１ｂを変形させて空洞部２ａの容積が減少することにより、導電性流体３が溝部２ｂの先端側に移動して電極パッド８₁，８₂と接続されている接点４が導電性流体３を介して閉成される（オン状態）。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６によって変形させられていたダイアフラム部１ｂが元の状態に復帰して空洞部２ａの容積が元に戻るから、溝部２ｂの先端部分に密封されている空気の圧力によって導電性流体３が空洞部２ａの方へ移動し、電極パッド８₁，８₂と接続されている接点４が開成される（オフ状態）。

而して、従来例のものはヒータの通電開始から液体金属が移動してオン・オフが切り換わるまでの時間（動作時間）が比較的に長くなるという欠点を有していたが、本実施形態の接点開閉装置では、電圧の印加／停止時点から導電性流体３が移動して接点４が開閉されるまでの動作時間を従来例よりも十分に短くすることができて応答性の向上が図れるものである。また、半導体基板１においてアクチュエータ６により変形させられる部分をダイアフラム状に形成しているので、半導体基板１の変形させられる部分（ダイアフラム部１ｂ）の剛性を低下させてアクチュエータ６に必要な駆動力が低減でき、さらに、ダイアフラム部１ｂから突出してアクチュエータ６に当接する突部１０が半導体基板１に設けられているから、突部１０のない場合に比較してダイアフラム部１ｂに対するアクチュエータ６の押し位置が安定するという利点がある。

ここで、突部１０の先端面の形状を多角形（例えば、四角形）とした場合、アクチュエータ６で押圧されたときに角部に応力が集中して角部の欠け等が発生する可能性があるので、かかる角部を面取りして角部への応力集中を抑えることが望ましい。また、突部１０を角錐台形に形成していることにより、突部１０の先端部分の面積をできるだけ小さくしてアクチュエータ６の押圧力を均等に受けることが可能となって突部１０の破損等の発生を防ぐことができる。なお、突部１０を円錐台形に形成しても同様の作用効果が得られる。また、半導体基板１を異方性エッチングすれば、角錐台形又は円錐台形の突部１０が形成可能である。

ところで、何らかの理由でアクチュエータ６に必要以上に高い電圧が印加されたような場合、アクチュエータ６の先端部並びにダイアフラム部１ｂの撓み量が過大になってダイアフラム部１ｂが破損する可能性がある。そこで、図３（ａ）に示すようにダイアフラム部１ｂから空洞部２ａ内へ突出する突起１１を設け、アクチュエータ６並びにダイアフラム部１ｂの変形量が所定量を超える前に突起１１を絶縁基板５に当接させるか、あるいは図３（ｂ）に示すように絶縁基板５から空洞部２ａ内へ突出する突起１２を設け、アクチュエータ６並びにダイアフラム部１ｂの変形量が所定量を超える前に突起１２をダイアフラム部１ｂに当接させ、アクチュエータ６並びにダイアフラム部１ｂの変形量を規制すれば、アクチュエータ６やダイアフラム部１ｂが過度に変形するのを防ぐことができるとともにアクチュエータ６及びダイアフラム部１ｂの変形量を略一定にすることができる。但し、突起１１，１２を設ける代わりに、アクチュエータ６と対向する凹部１ａの側面から突出し、アクチュエータ６及びダイアフラム部１ｂの変形量が所定量を超える前にアクチュエータ６に当接する当接部１３を設け、この当接部１３によってアクチュエータ６並びにダイアフラム部１ｂの変形量を規制しても構わない。

また、図４に示すように半導体基板１の表面における凹部１ａと隣り合う部位に凹所１４を設け、この凹所１４に一部を嵌合する形でアクチュエータ６を半導体基板１に接合すれば、半導体基板１に対するアクチュエータ６の位置決めが行える。さらに、本実施形態ではアクチュエータ６を片持ち梁構造としているが、図５に示すように幅方向における両端部を半導体基板１に接合することでアクチュエータ６を両持ち梁構造としても構わない。つまり、片持ち梁構造のアクチュエータ６では突部１０の角部分に片当たりして突部１０の破損等が発生する可能性があるが、両持ち梁構造のアクチュエータ６では上記片当たりを防ぐことができる。但し、アクチュエータ６を片持ち梁構造とした方が、両持ち梁構造の場合に比較して全体の小型化が図れるという利点がある。

ところで、本実施形態では圧電振動子でアクチュエータ６を構成しているが、例えば、図６（ａ）に示すように金属のような弾性材料からなる板状のシム６ａと、シム６ａの片面に取着される板状の圧電素子６ｂを有するユニモルフ型の圧電振動体でアクチュエータ６を構成したり、あるいは、図６（ｂ）に示すようにシム６ａの両面にそれぞれ圧電素子６ｂを取着してなるバイモルフ型の圧電振動体でアクチュエータ６を構成しても構わない。特に、バイモルフ型の圧電振動体でアクチュエータ６を構成した場合、ユニモルフ型の圧電振動体で構成する場合に比較してアクチュエータ６の駆動力が大きくなって動作時間がさらに短縮できるという利点がある。

（実施形態２）
本実施形態は、図７に示すようにシム６ａの片面に圧電素子６ｂを取着してなるユニモルフ型の圧電振動体でアクチュエータ６を構成するとともに、圧電素子６ｂ並びにシム６ａの端部を半導体基板１の外側にはみ出させた点に特徴がある。但し、他の構成並びに動作については実施形態１と共通するので、共通の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

圧電素子６ｂは矩形板状に形成されて凹部１ａと対向する先端部と反対の後端部が半導体基板１の外にはみ出している。また、シム６ａは凹部１ａの反対側における端部が圧電素子６ｂよりも幅広に形成されており、当該端部が半導体基板１の外にはみ出している。

そして、図７（ｂ）に示すように半導体基板１の外にはみ出している圧電素子６ｂの後端部並びにシム６ａの端部にアクチュエータ６への電圧印加用の電線１５が接続される。ここで、電線１５はボンディングワイヤによって形成されるが、上述のようにアクチュエータ６を構成するシム６ａ並びに圧電素子６ｂの端部を半導体基板１の外にはみ出させているので、はみ出した端部へのワイヤボンディングが行い易いという利点がある。

本発明の実施形態１を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）は同図（ｂ）におけるＡ−Ｂ線断面矢視図、（ｄ）は同図（ｂ）におけるＣ−Ｄ線断面矢視図、（ｅ）は同図（ｂ）におけるＥ−Ｆ線断面矢視図である。同上の他の構成を示す背面図である。同上の他の構成を示し、（ａ）は半導体基板に突起を設けたものの断面図、（ｂ）は絶縁基板に突起を設けたものの断面図、（ｃ）は凹部の側面に当接部を設けたものの断面図である。同上のさらに他の構成を示す断面図である。同上のさらにまた他の構成を示す断面図である。同上の他の構成のアクチュエータを備えたものを示し、（ａ）はユニモルフ型の圧電振動体からなるアクチュエータを備えたものの断面図、（ｂ）はバイモルフ型の圧電振動体からなるアクチュエータを備えたものの断面図である。本発明の実施形態２を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は背面図、（ｃ）は同図（ｂ）におけるＡ−Ｂ線断面矢視図である。

符号の説明

１半導体基板
１ｂダイアフラム部
２収納部
２ａ空洞部
２ｂ溝部
３導電性流体
４接点
５絶縁基板
５ａ貫通孔
６アクチュエータ
１０突部

Claims

導電性を有する流体を移動自在に収納する収納部が設けられた半導体基板と、収納部内に露出する複数の接点が設けられて半導体基板の表面に接合される絶縁基板と、半導体基板を部分的に変形させて収納部内で導電性流体を移動させるアクチュエータとを備え、半導体基板においてアクチュエータにより変形させられる部分がダイアフラム状に形成されるとともに当該ダイアフラム状の部分から突出してアクチュエータに当接する突部が半導体基板に設けられるとともに、アクチュエータによる半導体基板の部分的な変形の変形量を規制する規制手段が半導体基板又は絶縁基板に設けられた接点開閉装置であって、当該規制手段は、アクチュエータと対向する半導体基板の一面に設けられ、変形量が所定量を超える前にアクチュエータに当接する当接部からなることを特徴とする接点開閉装置。
突部は、各角部が面取りされた略角柱形に形成されたことを特徴とする請求項１記載の接点開閉装置。
突部は、アクチュエータに当接する先端部分が先細りとなる角錐台形又は円錐台形に形成されたことを特徴とする請求項２記載の接点開閉装置。
半導体基板の表面に設けられた凹所にアクチュエータの一部を嵌合してなることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の接点開閉装置。
アクチュエータは、突部を挟んで対向する両端部が半導体基板に固定された両持ち梁構造を有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の接点開閉装置。
アクチュエータは、突部を挟んで対向する一方の端部が半導体基板に固定された片持ち梁構造を有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の接点開閉装置。
アクチュエータは、弾性材料からなる板状のシムと該シムの片面に取着される板状の圧電素子を有する圧電振動体からなることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の接点開閉装置。
アクチュエータは、弾性材料からなる板状のシムと該シムの両面に取着される板状の一対の圧電素子を有する圧電振動体からなることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の接点開閉装置。
圧電素子並びにシムの端部を半導体基板の外側にはみ出させたことを特徴とする請求項７記載の接点開閉装置。