JP4386014B2 - 接点開閉装置 - Google Patents

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室と、平面視二等辺三角形状に形成されて内部に導電性流体が収納される流路と、室と流路の底辺中央とを連通する絞りと、一端部がそれぞれ流路内に臨み互いに所定間隔で配置された複数の電極とを備え、ヒータに通電して室内の空気を加熱して膨張させることで絞りを介して流路内の導電性流体を移動させ、複数の電極同士を導電性流体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２００５−１４２１４２号公報

ところで上記従来例においては、絞りと流路とで断面積が極端に異なっているので、絞りを含む流路内に導電性流体を注入する際の抵抗が絞りと流路で急激且つ大きく変化してしまう。その結果、導電性流体の位置を精度よく制御することが困難となり、また、導電性流体が充填されるべき流路内に気泡が残ってしまう虞もあった。

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、収納部内に注入する導電性流体の位置が制御しやすくかつ気泡が残り難い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と、収納部内で導電性流体を移動させる手段とを備え、収納部は、他の部分よりも容積の大きい空洞部と、導電性流体の移動方向に直交する断面の面積が空洞部よりも狭く且つ一端側で空洞部に連結するとともに他端側に複数の接点が露出する溝部と、導電性流体の移動方向に直交する断面の面積が空洞部よりも狭く且つ一端側で空洞部に連結するとともに他端側に導電性流体を収納部内に注入するための注入口が設けられた注入用溝部とを有し、空洞部は、溝部との連結部位に向かって徐々に縮径する平面視略菱形に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、空洞部と溝部との連結部位を曲面形状としたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、溝部との連結部位に向かって徐々に縮径する平面視略菱形に空洞部が形成されているために導電性流体の移動方向に直交する方向の断面積の変化が緩やかとなるから、注入口から収納部に注入された導電性流体が空洞部から溝部に移動する際の抵抗の変化も緩やかになって導電性流体の位置が制御しやすくなるとともに導電性流体が充填されるべき収納部内に気泡が残り難くなる。

請求項２の発明によれば、収納部に注入された導電性流体が空洞部から溝部に移動する際の抵抗の変化がさらに緩やかになって導電性流体の位置がより一層制御しやすくかつ気泡が残り難くなる。

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。また、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。

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）。

次に本発明の要旨である収納部２の構成についてさらに詳しく説明する。

上述のように収納部２は空洞部２ａ、溝部２ｂ、注入用溝部２ｃ並びに注入口２ｄで構成され、さらに空洞部２ａは、溝部２ｂとの連結部位に向かって徐々に縮径する形状（本実施形態では平面視略菱形）に形成されている。つまり、空洞部２ａが溝部２ｂとの連結部位に向かって徐々に縮径する形状に形成されているため、導電性流体３の移動方向に直交する方向の断面積の変化が従来例に比較して緩やかとなる。その結果、注入口２ｄから注入される導電性流体３が空洞部２ａから溝部２ｂに移動する際の抵抗の変化も緩やかになるので、導電性流体３の位置（先端の位置）が制御しやすくなる。すなわち、導電性流体３の先端は、図１（ｄ）に示すように接点４の手前の位置で停止させることが望ましく、上述のように導電性流体３の移動に対する抵抗の変化が緩やかになることで先端の停止位置の制御が容易になるのである。また、導電性流体３の移動に対する抵抗の変化が緩やかになることによって、導電性流体３が収納されるべき収納部２内に気泡が残り難くなるという利点もある。なお、図２に示すように空洞部２ａと溝部２ｂとの連結部位を曲面形状とすれば、導電性流体３が空洞部２ａから溝部２ｂに移動する際の抵抗の変化がさらに緩やかになって導電性流体３の位置がより一層制御しやすくかつ気泡が残り難くなる。また、空洞部２ａと溝部２ｂとの連結部位だけでなくその他の角部も曲面形状にすれば、さらに制御が容易かつ気泡が残り難くなる。

本発明の実施形態を示し、（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一部省略した背面図である。

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
６ アクチュエータ

Claims (2)

1. 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と、収納部内で導電性流体を移動させる手段とを備え、収納部は、他の部分よりも容積の大きい空洞部と、導電性流体の移動方向に直交する断面の面積が空洞部よりも狭く且つ一端側で空洞部に連結するとともに他端側に複数の接点が露出する溝部と、導電性流体の移動方向に直交する断面の面積が空洞部よりも狭く且つ一端側で空洞部に連結するとともに他端側に導電性流体を収納部内に注入するための注入口が設けられた注入用溝部とを有し、空洞部は、溝部との連結部位に向かって徐々に縮径する平面視略菱形に形成されたことを特徴とする接点開閉装置。
2. 空洞部と溝部との連結部位を曲面形状とし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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