JP5697235B2 - スイッチ装置 - Google Patents

Description

この発明は、固定接点と、当該固定接点に対し接離可能な可動接点とを有する接点構造及びスイッチ装置に関する。

近年、半導体加工技術を用いて機構構造、センサ、回路部品などを作成するＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）技術が注目されつつある。このＭＥＭＳ技術は、継電器やスイッチの分野にも応用されており、それらの装置を総称して、スイッチ装置という場合がある。

一般的に、接点（可動接点及び固定接点）を有するスイッチ装置においては、接点表面に異物物質が付着したり、酸化被膜などが形成したりすると、接点が動作したとき、電気的接続が確立されない場合があり、接点信頼性を低下させる要因となる。このような汚染への従来の対策として、カバー（あるいは保護層）を設けて、接点に汚染物質が付着しないように密閉することにより、接点信頼性を改善させたものがある。

しかし、スイッチ装置の全体にカバーを設けた場合、加工中の汚染や接点表面の酸化などによる接点信頼性の低下、部品点数の増加や工程の複雑化、外形寸法の大型化等の問題点があった。

これに対し、接点（可動接点及び固定接点）のみを密閉する技術の一例としては、ガラス基板とダイアフラムとで密閉された空間が形成され、ガラス基板の表面に電極（固定接点）が設けられ、ダイアフラムの凹部に接点金属（可動接点）が設けられ、外力によりダイアフラムがたわんだときに接点金属が電極に電気的に接続した状態となり、ダイアフラムが復元したときに接点金属が電極から離れ、電気的に接続しない非接続状態となる半導体圧力スイッチがある（例えば、特許文献１）。

また、密閉技術の他の例としては、ベースの上面に固定接点が配置され、アクチュエータの下面に、固定接点に接離可能に対向する可動接点が配置され、ベース及びアクチュエータの下面間に電圧を印加して生じる静電引力で、可動接点を固定接点に接離させるマイクロリレーにおいて、ベースの上面周辺縁部に接合一体させたカバーにより、固定接点及び可動接点を密封したものがある。（例えば、特許文献２）。

さらに、密閉技術の他の例としては、基板に電極（固定接点）が設けられ、ダイアフラムに電荷蓄積電極（可動接点）が設けられ、電極と電荷蓄積電極との間に静電力が生じると、ダイアフラムを弾性変形させるスイッチがある（例えば、特許文献３）。

このような密閉技術を用いても、ＯＮ時において固定接点と可動接点が固着し、ＯＦＦ状態（非接続状態）に移行するときに大きな力で引き剥がさなければならない場合があり、接点信頼性を低下させる要因となっていた。

また、従来の静電容量型リレーでは、ＯＦＦ時における固定接点と可動接点との間隔が大きいと、それに比例して駆動用電極間距離も大きくなってしまう場合が多く駆動電圧が高くなってしまう。また、固定接点と可動接点との間隔が小さいと、リーク電流が発生するおそれが高まったり、絶縁性が低下してしまうといった問題が生じる。

特開平６−１８７８８３号公報 特開平１１−２１９６５２号公報 特開２００７−１５７５１１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、ＯＮ時にダイアフラムを変形させると、密閉空間内の気体が圧縮されるため、大きな外力を加えてダイアフラムを変形させるか、密閉空間内を減圧して気体圧縮に必要な力を低減させなくてはならない。しかし、密閉空間内を真空状態、あるいはそれに近い状態にすると、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り換えるときに低圧状態の密閉空間を拡大するために大きな力が必要となり、接点信頼性を低下させる要因となるという問題点があった。

また、振動や衝撃による誤作動をダイアフラムの厚みや凹部の深さの調整によって防止する構成を適用するときには、接点信頼性が確保できない場合のために、また、何らかの事由により当該調整ができない場合のために、別の誤作動防止の手段を備えることが望ましい。

この発明は、上記の問題を解決するものであり、接点信頼性を向上させることが可能な接点構造及びスイッチ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、この発明の一の構成は、基板と、互いに連通された複数の分室を有し気体が封入された密閉空間を形成するように前記基板の表面にその周辺部が接合され、前記各分室の天井部に、ドーム状に突出するように形成され、ドーム状の頂部領域を中心とする同心円状の複数の波形に形成されたコルゲート部を有するダイアフラムが設けられた蓋体と、前記複数の分室のうちの１以上の分室のそれぞれの底部となる前記基板の表面に設けられた固定接点と、前記１以上の分室のそれぞれの天井部となる前記ダイアフラムの内側に設けられた可動接点とを有する接点構造と、前記密閉空間の外部に、前記各分室の天井部に設けられた各ダイアフラムのうちの少なくとも２つのダイアフラムを交互に押圧する揺動機構を備え、前記２つのダイアフラムの少なくとも一方の内側に前記接点構造を含み、前記揺動機構として、永久磁石と、コイルと、永久磁石の極性の影響を受けた磁性体及び磁性体板とを有し、前記コイルへの通電がされたとき、前記磁性体板により前記ダイアフラムが押圧されるように前記コイルの極性の影響を受けた前記磁性体に対し前記磁性体板が相対移動され、前記コイルへの通電が止められたとき、前記磁性体板により前記ダイアフラムが押圧された状態に保持されるように前記磁性体に対し前記磁性体板が相対移動された状態に保たれることにより、前記可動接点を前記固定接点に対し接離可能に動作させるアクチュエータと、を有することを特徴とするスイッチ装置である。
また、この発明の他の構成は、基板と、互いに連通された一対の分室を有し気体が封入された密閉空間を形成するように前記基板の表面にその周辺部が接合され、前記各分室の天井部に、ドーム状に突出するように形成され、ドーム状の頂部領域を中心とする同心円状の複数の波形に形成されたコルゲート部を有するダイアフラムが設けられた蓋体と、前記一対の分室のそれぞれの底部となる前記基板の表面に設けられた固定接点と、前記一対の分室のそれぞれの天井部となる前記ダイアフラムの内側に設けられた可動接点とを有する接点構造と、前記密閉空間の外部に２つのダイアフラムを交互に押圧する揺動機構を備え、前記揺動機構として、永久磁石と、コイルと、永久磁石の極性の影響を受けた磁性体及び磁性体板とを有し、前記コイルへの通電がされたとき、前記磁性体板により前記ダイアフラムが押圧されるように前記コイルの極性の影響を受けた前記磁性体に対し前記磁性体板が相対移動され、前記コイルへの通電が止められたとき、前記磁性体板により前記ダイアフラムが押圧された状態に保持されるように前記磁性体に対し前記磁性体板が相対移動された状態に保たれることにより、前記可動接点を前記固定接点に対し接離可能に動作させるアクチュエータと、を有することを特徴とするスイッチ装置である。

この発明の第１の形態によると、固定接点と可動接点との間を適正な距離に保つように、複数の分室に気体を充填させたので、振動や衝撃による誤作動を生じることが軽減されている。複数のうちの１つの分室の天井部であるダイアフラムを押して、可動接点を固定接点に接触させるとき、気体が当該分室から出て他の分室に入るので、ダイアフラムを押す力が低減される。また、可動接点を固定接点から離す際には、他の分室から気体が分室に流入することにより、ダイアフラムを押し上げようとする力が加わるため、より確実に可動接点を固定接点から離すことが可能となる。

また、この発明の第２の形態によると、両方の接点をＯＮにするには、両方の分室内の気体を同時に圧縮するための大きな押圧力が必要とされ、誤作動の可能性を低減することが可能となる。

さらに、この発明の第３の形態によると、アクチュエータが可動接点を動作させることで、可動接点が設けられた分室から気体が出て他の分室に入り、他の分室のダイアフラムを押し上げて、他の分室内の可動接点を固定接点から確実に離すことができる。

さらに、この発明の第４の形態によると、アクチュエータを密閉空間の外部に配することで、密閉空間の密閉性を高めることが可能となるとともに、アクチュエータから放出される揮発性ガスのような物質による汚染を防止することができる。さらに、密閉化までのプロセスを短縮することができるので、加工プロセスによる汚染や加熱プロセスによる酸化被膜形成の可能性を低減することができる。また、密閉空間を小型にすることが可能となる。

さらに、この発明の第５の形態によると、いずれか一方のダイアフラムを押圧して接点をＯＮ状態とすれば、他方のダイアフラムが押し上げられるので、他方の側の接点をより確実にＯＦＦ状態に維持することができる。それにより、振動や衝撃による誤作動を確実に軽減することが可能となる。

この発明の第１実施形態に係る接点構造の分解斜視図である。 接点構造及びアクチュエータを組み合わせたスイッチ装置の断面図である。 接点構造の概念図である。 可動接点を固定接点に接触させたときの概念図である。 ダイアフラムの内面側を斜めから見たときの部分斜視図である。 接点構造の部分断面図である。 接点構造の作成工程を示すフロチャートである。 接点構造の各作成工程を概念的に示す図である。 第２実施形態に係るスイッチ装置の断面図である。 第３実施形態に係るスイッチ装置の分解斜視図である。 ダイアフラムを破断して分室内部を概念的に示したスイッチ装置の断面図である。 駆動電極間に電圧を印加したときのスイッチ装置の断面図である。 第４実施形態に係るスイッチ装置の分解斜視図である。 接点構造の分解斜視図である。 可動接点を動作させたときのスイッチ装置の断面図である。 可動接点を固定接点から離したときのスイッチ装置の断面図である。 第５実施形態に係る分室の配置図である。 分室の押圧動作のバリエーションを示す図であり、ハッチングの有無により、押圧しているか否かを表す図である。

次に、この発明の各種実施形態について各図を参照して説明する。

［第１の実施形態］
この発明の第１の実施形態に係る接点構造及びこれを用いたスイッチ装置の構成について図１及び図２を参照して説明する。図１は接点構造の分解斜視図、図２は接点構造及びアクチュエータを組み合わせたものの断面図である。

この実施形態に係るスイッチ装置は、接点構造と、アクチュエータ６０とを組み合わせたものである。

〈接点構造〉
先ず、接点構造の構成について簡単に説明する。接点構造は、基板１０、可動部２０、固定接点３０、及び、可動接点４０を有している。基板１０の材質、及び、その製造工程については後述する。可動部２０はダイアフラム（薄膜）で形成されている。以下、可動部２０をダイアフラムという場合がある。ダイアフラム２０は金属、Ｓｉ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、高濃度不純物添加Ｓｉ等の後述プロセス説明Ｓ１０８のエッチングにおいてＳｉとエッチングレート差が得られる素材を用いて形成される。ダイアフラム２０の内面（図２において下面）には可動接点４０が設けられるため、ダイアフラム２０は絶縁体で形成されることが望ましい。なお、ダイアフラム２０の内面に絶縁体を設け、この絶縁体に可動接点を設けるようにすれば、ダイアフラム２０を導体で形成してもよい。但し、揮発物質など汚染物質を発する物であってはならない。

（接点機構）
以下の説明において、固定接点３０、とその固定接点３０に対し接離可能な可動接点４０とを含むものを接点機構という場合がある。この接点構造においては、接点機構が一対設けられている。両方の接点機構は同じであるため、一方の接点機構を代表して説明する。

固定接点３０は基板１０の表面１１に設けられている。可動接点４０はダイアフラム２０の内面２１に設けられている。固定接点３０及び可動接点４０を図１から図６に示す。図５はダイアフラムの内面側を斜めから見たときの部分斜視図、図６は接点構造の部分断面図である。

（蓋体）
基板１０との間に密閉空間５０を形成する蓋体２０ａが設けられている。蓋体２０ａとダイアフラム２０とは、弾性を有する薄膜で一体的に形成されている。なお、ダイアフラム２０を蓋体２０ａと別体で形成してもよい。以下の説明では、蓋体２０ａをダイアフラム２０という場合がある。密閉空間５０の詳細については後述する。

（ダイアフラム）
後述するアクチュエータ６０から受けた圧力によってダイアフラム２０が変形することにより可動接点４０は固定接点３０と接触する。ダイアフラム２０は、外方（図２において上方）にドーム状に突出するように形成されている。ダイアフラム２０の外面２２には、アクチュエータ６０に押される一対の被押圧部２３が設けられている。各被押圧部２３は図２で上方に凸状に形成されている。ダイアフラム２０にはコルゲート部２４が一体的に形成されている。コルゲート部２４は、ドーム状の頂部領域を中心とする同心円状の複数の波形に形成されている。被押圧部２３及びコルゲート部２４を図１に示す。

ダイアフラム２０が導体で形成される場合や高い絶縁性を必要とする場合、ダイアフラム２０に絶縁層２６を設け、この絶縁層２６に可動接点４０の金属が設けられる。

（基板）
基板１０はＳｉ、ガラス、セラミックの何れかの素材を用いて形成される。但し、Ｓｉを用い、さらに高い電気絶縁性が必要な場合には高抵抗Ｓｉを用いるか、表面に絶縁層となるＳｉＯ２やＳｉＮを設ける必要がある。基板１０には貫通電極３１を含む貫通配線３３（図２参照）が設けられ、固定接点３０が貫通配線３３により基板１０の裏面１２側に配線される。それにより、基板１０の表面１１に配線を設ける必要がなく、表面１１に配線による段差が生じないので、基板１０の表面１１にダイアフラム２０の周辺部２７を隙間なく接合させることができる。

（密閉空間）
平板形状に形成された基板１０の表面１１に蓋体２０ａの周辺部２７を直接接合することにより、基板１０と蓋体２０ａとの間に密閉空間５０が形成される。密閉空間５０は、図１において右側に位置する分室５０Ｒと左側に位置する分室５０Ｌとに区分けされている。各分室５０Ｒ、５０Ｌの天井部にはドーム状に形成されたダイアフラム２０が設けられている。直接接合の方法の一例としては陽極接合が用いられる。陽極接合の詳細については後述する。なお、基板１０に凹部を形成することにより、密閉空間５０を設けてもよい。以下、一対の分室５０Ｒ、５０Ｌをまとめて説明するときは、密閉空間５０と称することにする。

密閉空間５０には、例えば大気圧程度の内圧になるように不活性ガスが充填されている。貫通電極３１による配線、及び、直接接合による密閉化により密閉空間５０の信頼性（密閉性）が向上し、表面１１の汚染を防止できる。それにより接点信頼性も向上する。さらに、不活性ガスを用いることにより、接点表面に酸化被膜が形成されることを防止することができる。

以上のようにして、固定接点３０及び可動接点４０を含む接点機構が一対の分室５０Ｒ、５０Ｌの内部にそれぞれ設けられる。一対の分室５０Ｒ、５０Ｌの間には通気部５１が設けられている。通気部５１により、両方の分室５０Ｒ、５０Ｌに閉じ込められた気体が相互に行き来可能となる。以上の一対の分室５０Ｒ、５０Ｌ及び通気部５１によって、接点を外部から隔離する密閉空間が構成される。

以上の接点構造では、一対の分室５０Ｒ、５０Ｌを設けたものを示したが、これに限らず、３以上の分室を設けてもよい。この場合、３以上の分室のうちの１つ以上の分室に接点機構をそれぞれ設ける。密閉空間５０は、３以上の分室、及び、それらの間を連通する通気部５１によって構成し、接点を外部から隔離する。

〈アクチュエータ〉
次に、スイッチ装置のアクチュエータ６０について図２〜図４を参照して説明する。図３は、接点構造の概念図、図４は可動接点を固定接点に接触させたときの概念図である。なお、図３及び図４では、絶縁層２６を省略して示している。

アクチュエータ６０は、２つのダイアフラム２０を交互に押圧して、可動接点４０を動作させる揺動機構を有する。アクチュエータ６０は、密閉空間５０の外部（図２において上方）に設けられている。アクチュエータ６０は、磁性体板６１、一対のコイル６２、永久磁石６３、磁性体６４、スペーサ６５、及び、支点部６６を有している。

磁性体板６１は、両方の分室５０Ｒ、５０Ｌの上方にあって、これら両方に掛かるように配されている。磁性体６４は磁性体板６１の上方に配置され、磁性体板６１と磁性体６４により磁気閉回路を形成している。一対のコイル６２は、磁性体６４に巻かれている。永久磁石６３は、一対のコイル６２の間のスペースに設けられている。支点部６６は、永久磁石６３の下端部に設けられ、磁性体板６１の中心を支持している。永久磁石６３の下端部が例えばＮ極となっている。

コイル６２が通電しないとき、永久磁石６３の磁力により、磁性体６４の両端はＳ極となり、磁性体６１の両端はＮ極となる。一般に磁力の強さは磁極間の距離の２乗に反比例する。したがって、磁性体６４の端部と磁性体板６１の端部との間隔の狭い方に作用する磁力が、間隔の広い方に作用する磁力より大きくなるから、間隔の狭い方では、磁性体板６１の端部がダイアフラム２０の被押圧部２３から離れてＯＦＦ状態となり、間隔の広い方では、磁性体板６１の端部がダイアフラム２０の被押圧部２３を押圧してＯＮ状態となり、それぞれの状態を保持し続ける。なお、磁性体板６１の端部が凸状の被押圧部２３を押圧するＯＮ状態では、磁性体板６１の端部がダイアフラム２０に触れないようになっている。

次に、この接点構造の動作について図２及び図４を参照して説明する。

磁性体６４の右側の端部がＳ極、磁性体６４の左側の端部がＮ極となるように、コイル６２に通電すると、磁性体６４の右側の端部が磁性体板６１の右側の端部を引き寄せ、磁性体６４の左側の端部が磁性体板６１の左側の端部を押し出す。それにより、磁性体板６１が支点部６６を中心に図２において反時計回り方向にシーソー動作をし、磁性体板６１の左側の端部が、分室５０Ｌ側のダイアフラム２０の被押圧部２３を押圧する（図４参照）。

磁性体板６１の左側の端部が、分室５０Ｌ側のダイアフラム２０の被押圧部２３を押圧すると、分室５０Ｌが圧縮されて、分室５０Ｌ内の可動接点４０が固定接点３０に接触してＯＮ状態となる。このとき、不活性ガスが、分室５０Ｌから通気部５１を通って分室５０Ｒに流入する。

それにより、分室５０Ｒ内の可動接点４０を押し上げる方向に力が働くため、ＯＦＦ時の振動や衝撃による誤作動が低減される。

以上に、磁性体板６１を反時計回り方向にシーソー動作をさせることにより、左側の接点をＯＮ状態とし、右側の接点をＯＦＦ状態とする接点構造の動作を説明した。次に、磁性体板６１を時計回り方向にシーソー動作をさせることにより、右側の接点をＯＮ状態とし、左側の接点をＯＦＦ状態とする接点構造の動作を説明する。

磁性体６４の左側の端部がＳ極、磁性体６４の右側の端部がＮ極となるように、コイル６２に通電すると、磁性体６４の左側の端部が磁性体板６１の左側の端部を引き寄せ、磁性体６４の右側の端部が磁性体板６１の右側の端部を押し出す。それにより、磁性体板６１が支点部６６を中心に図２において時計回り方向にシーソー動作をし、磁性体板６１の右側の端部が、分室５０Ｒ側のダイアフラム２０の被押圧部２３を押圧する。

それにより、分室５０Ｒが圧縮されて、分室５０Ｒ内の可動接点４０が固定接点３０に接触してＯＮ状態となる。このとき、不活性ガスが、分室５０Ｒから通気部５１を通って分室５０Ｌに流入する。それにより、分室５０Ｌ内の可動接点４０を押し上げる方向に力が働くため、ＯＦＦ時の振動や衝撃による誤作動が低減される。

以上のように、いずれか一方の接点をＯＮ状態とすれば、他方の接点をＯＦＦ状態とし、ＯＦＦ時の振動や衝撃による誤作動を確実に軽減することが可能となる。ダイアフラム２０は薄膜で形成されており、耐久性などの機械特性、弾性係数などのバネ特性、及び、固定接点３０と可動接点４０との間の距離をコントロールし易くなる。

次に、本実施形態に係る接点構造を作成する工程について図７及び図８を参照して説明する。図７は接点構造の製造工程を示すフロチャート、図８は、接点構造の各作成工程を概念的に示す図である。

製造工程は、蓋体作成（Ｓ１０１〜Ｓ１０３）、基板作成（Ｓ１０４〜Ｓ１０６）、接合（Ｓ１０７）、及び、支持体除去（Ｓ１０８）を含む。各ステップの詳細を順番に説明する。

〈蓋体作成：Ｓ１０１〜Ｓ１０３〉
〔Ｓ１０１〕（蓋体形状作成）
ＳｉウェハーにＳｉエッチングにより蓋体の外形となる形状を作成する。Ｓｉウェハー以外での作成でも可能であるが、ステップＳ１０８の支持体除去の加工し易さを考慮するとＳｉが望ましい。

〔Ｓ１０２〕（蓋体薄膜成膜）
ステップＳ１０１で作成した形状の表面に蓋体となる薄膜を形成する。薄膜の種類にもよるがＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタ、熱拡散などの比較的に均一に成膜できる方法が望ましい。
〔Ｓ１０３〕（可動接点作成）
ステップＳ１０２で作成した蓋体薄膜が導体の場合や高い絶縁性を必要とする場合、先ず、絶縁層をＣＶＤやスパッタ、蒸着などにより作成し、その後、メッキやスパッタや蒸着により可動接点４０を作成する。蓋体数膜が絶縁体であり絶縁層を設ける必要のない場合、蓋体上に直接可動接点４０を設けることができる。

〈基板の作成：Ｓ１０４〜Ｓ１０６〉
〔Ｓ１０４〕（貫通孔作成）
基板に貫通配線を設けるための貫通孔を作成する。前述したが、基板がＳｉで作成される場合で高い絶縁性が必要な場合、貫通孔作成後熱酸化を行い表面にＳｉＯ２層を作成する。貫通孔は切削等の機械加工により作成されるが、基板がＳｉの場合にはエッチングにより作成することも可能である。
〔Ｓ１０５〕（貫通配線作成）
ステップＳ１０４で作成した貫通孔を貫通配線とするため、導電性金属をメッキにより埋める。また、金属ペーストを充填し熱処理によって硬化させることにより作成することも可能である。

〔Ｓ１０６〕（固定接点作成）
貫通配線を作成した基板表面に固定接点を作成する。固定接点の作成方法には、スパッタ、蒸着、及び、厚膜印刷等が用いられる。
〔Ｓ１０７〕（接合）
ステップＳ１０１〜Ｓ１０３で作成した蓋体と、ステップＳ１０４〜Ｓ１０６で作成した基板とを接合する。接合の際に密閉空間５０が不活性ガスで充填されるように不活性ガス中で接合を行う。さらに不活性ガスの圧力を調整できる槽内にて接合することが望ましい。接合方法としては、例えば、陽極接合やガラス不リット接合、Ａｕ膜を用いた共晶接合等が用いられる。

〔Ｓ１０８〕（支持体除去）
蓋体と基板との接合後に蓋体支持体であるＳｉの除去を行う。蓋体は形状が複雑なため、ウェットエッチングによるエッチングが望ましい。但し、蓋体の材質を考慮したエッチング方法の選定が必要となる。以上で、接点構造を作成する工程についての説明を終了する。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る接点構造について図９を参照して説明する。この接点構造は、第１実施形態に係る接点構造と基本的に同じである。

以下、第１実施形態と異なる構成部分について説明し、同じ構成部分についてはその説明を省略する。

第１の実施形態では、一対の分室５０Ｒ、５０Ｌの各内部に、固定接点３０及び可動接点４０を設けたが、第２の実施形態では、一対の分室５０Ｒ、５０Ｌの一方の内部のみに、接点（固定接点３０及び可動接点４０）を設ける。他方の分室の内部をガス溜まりと呼ぶことにする。分室５０Ｒの方をガス溜まりとした例を図９に示す。なお、接点が設けられた分室を接点側の分室、ガス溜まりとした分室をダミーの分室という場合がある。

第２の実施形態に係る接点構造では、密閉空間５０に不活性ガスを充填させて、ダイアフラム２０を押し上げて、固定接点３０と可動接点４０との間を適正な距離に保つようにしたので、ＯＦＦ時の振動や衝撃による誤作動が生じることを軽減することができる。分室５０Ｌ側のダイアフラム２０を押圧して分室５０Ｌを圧縮させ、可動接点４０を固定接点３０に接触させてＯＮ状態とするとき、分室５０Ｌ内の不活性ガスの一部が分室５０Ｒに流入するので、ダイアフラム２０を大きな力で押圧することがなく、ダイアフラム２０に大きな応力を生じせずに済む。

また、第２実施形態において、上記接点構成とガス溜まりとの組み合わせは、一対一としたが、これに限らず、複数対一であっても、一対複数であっても、複数対複数であっても良い。複数対複数の組み合わせについては第５の実施形態で説明する。

さらに、ガス溜まりと接点構成との関係を以下のように設定すれば良い。

先ず、ダイアフラム２０のコルゲート部２４の復元力に関し、ガス溜まり側の復元力を接点側の復元力より大きくなるように設定する。

接点構成がＯＮ状態で、接点側の分室５０Ｌから通気部５１を通ってガス溜まり側の分室５０Ｒに不活性ガスが流入して、ガス溜まり側のコルゲート部２４が膨らんでいるとき、コルゲート部２４の復元力が増大する。接点構成がＯＦＦ状態になると、ガス溜まり側のコルゲート部２４の大きな復元力により、ガス溜まり側の分室５０Ｒから通気部５１を通って接点側の分室５０Ｌに不活性ガスが流入して、接点側のコルゲート部２４が確実に膨らむ。それにより、ＯＦＦ時の振動や衝撃による誤作動が生じることをさらに軽減することができる。

次に、密閉空間５０の容積（不活性ガスの充填量）に関し、ガス溜まり側の分室５０Ｒの容積を接点側の分室５０Ｌの容積より小さくなるように設定する。

接点構成がＯＮ状態で、接点側の分室５０Ｌから通気部５１を通ってガス溜まり側の分室５０Ｒに不活性ガスが流入するとき、流入する不活性ガスが少量であっても、ガス溜まり側の分室５０Ｒの容積が小さいため、ガス溜まり側のコルゲート部２４が大きく膨らんで、大きな復元力が生じる。接点構成がＯＦＦ状態になると、ガス溜まり側のコルゲート部２４の大きな復元力により、ガス溜まり側の分室５０Ｒから通気部５１を通って接点側の分室５０Ｌに不活性ガスが流入して、接点側のコルゲート部２４が確実に膨らむ。それにより、ＯＦＦ時の振動や衝撃による誤作動が生じることをさらに軽減することができる。

［第３の実施形態］
次に第３の実施形について図１０、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して説明する。図１０はスイッチ装置の分解斜視図、図１１Ａは、駆動電極間に電圧を印加しないときのスイッチ装置の断面図、図１１Ｂは、駆動電極間に電圧を印加したときのスイッチ装置の断面図である。

第１の実施形態では、電磁型のアクチュエータ６０を密閉空間５０の外部に設けたものを示したが、このアクチュエータ６０は一例であり、発明の範囲を限定することは意図していない。アクチュエータ６０は、ダイアフラム２０に作用して、可動接点４０を動作させるためのものであれば、様々な形態で実施されることが可能であり、たとえば、密閉空間５０の内部に設けることも可能である。

この第３の実施形態に係るアクチュエータ６０は、静電容量型であり、密閉空間５０の内部に設けられ、対向配置された二つの駆動電極７１、７２を有する。一方の駆動電極７１が、分室５０Ａの天井部に相当するダイアフラム２０に設けられている。基板１０に複数の貫通配線３３が設けられている。貫通配線３３の端部に設けられた貫通電極３１ａ（図１０参照）にはダイアフラム２０（駆動電極７１）が接続されている。貫通電極３１ａとダイアフラム２０とは、基板１０とダイアフラム２０との接合時に同時に接合される。よって、ダイアフラム２０の材質は例えば低抵抗Ｓｉのような導電性をもったものに限られる。ダイアフラム２０の内面２１に絶縁層２６が形成され、絶縁層２６上に可動接点４０が形成されている（図１１Ａ参照）。

貫通配線３３の端部に設けられた貫通電極３１ｂ（図１０参照）には駆動電極７２に接続されている。他方の駆動電極７２が、分室５０Ａの底部に相当する基板１０の表面１１にメタルは、基本的には固定接点３０と同じ材質であり、たとえば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｃｕ等で形成される。但し、固定接点３０ほど耐摩耗性や固着防止性に富んだ材質や導電性の高い材質でなくてもよい。他の複数の貫通配線３３の端部にも貫通電極３１がそれぞれ設けられ、それらの貫通電極３１には固定接点３０がそれぞれ接続されている（図１０参照）。

駆動電極７１、７２間に電圧を印加し、プラスとマイナスとが引き合う力（静電引力）を用いて固定接点３０と可動接点４０とを接触させる。静電容量型では、動作時に駆動電極７１、７２同士を、接触させないので、電気的に導通せず、消費電力を生じない。なお、ダイアフラム２０に絶縁層２６を設け、その絶縁層２６に駆動電極７１を設けることで、動作時に駆動電極７１、７２同士が確実に絶縁性を保つようにしても良い（図１１Ｂ参照）。

駆動電極７１、７２間に働く静電引力のエネルギーは次の式で表される。
Ｗ＝ＣＶ^２／２ （１）
Ｃは静電容量、Ｖは電圧である。静電容量Ｃは、次の式で表わされる。
Ｃ＝εＳ／ｄ （２）
εは誘電率、Ｓは、駆動電極７１、７２の面積（対向する面積）、ｄは間隔である。
式（１）、（２）から、面積Ｓが大きくなるほど、また、間隔ｄが小さくなるほど静電容量Ｃが大きくなり、また、静電引力のエネルギーＷが大きくなることがわかる。

この実施形態では、駆動電極７１として分室５０Ａの天井部全体を用い、駆動電極７２として分室５０Ａの底部全体を用い、駆動電極７１、７２を大きな面積で、かつ、小さな間隔で対向配置させているので、静電容量Ｃ、及び、静電引力のエネルギーＷを大きくすることが可能となる。

なお、第１の実施形態に係る電磁型のアクチュエータ６０では、磁性体板６１がダイアフラム２０の被押圧部２３を押圧することにより、可動接点４０を固定接点３０に接触させたが、この静電容量型のアクチュエータ６０では、ダイアフラム２０に設けられた駆動電極７１を動作させるので、ダイアフラム２０に被押圧部２３を設ける必要がない（図１０参照）。

［第４の実施形態］
次に、第４実施形態に係るスイッチ装置ついて図１２から図１４Ｂを参照して説明する。図１２はスイッチ装置の分解斜視図、図１３は接点構造の分解斜視図、図１４Ａは可動接点を動作させたときのスイッチ装置の断面図、図１４Ｂは可動接点を固定接点から離したときのスイッチ装置の断面図である。

この実施形態では、第１の実施形態に対し、密閉空間５０及びアクチュエータの各構成が異なり、他の構成については基本的に同じである。以下、異なる構成について説明し、同じ構成についてその説明を省略する。

第１の実施形態では、密閉空間５０を一対の分室に区分けしているのに対し、この実施形態では、密閉空間５０を３以上の分室に区分けした構成の例として、３つに区分けしたものを説明する。

（密閉空間）
密閉空間５０は、３つの分室５０Ａに区分けされている。３つの分室５０Ａは、基板１０の表面１１上において、略正三角形の頂点の位置にそれぞれ配置されている（図１２参照）。その配置により、一定容積の密閉空間５０内にできるだけ大きな容積の分室５０Ａを設けることが可能となる。通気部５１は、１つの分室５０Ａ内の気体を他の２つの分室５０Ａにそれぞれ出し入れ可能に連通させている。

３つの分室５０Ａには、接点（固定接点３０及び可動接点４０）がそれぞれ設けられている。３つの分室５０Ａ内の各接点は、可動接点４０の両端部が一対の固定接点３０にそれぞれ接離する橋絡型である。各接点における一対の固定接点３０の一方同士は互いに接続されていて、各入力側の接点となっている。すなわち、電力を供給する貫通電極３１から三方向に各貫通配線３３がそれぞれ延ばされている。各貫通配線３３には、各入力側の固定接点３０がそれぞれ接続されている（図１３参照）。

各分室５０Ａにおいて、一対の固定接点３０の他方同士は互いに接続されていなく、各出力側の接点となっている。すなわち、各出力側の接点である固定接点３０は、貫通電極３１を含む各貫通配線３３にそれぞれ接続されている。

（アクチュエータ）
前記第１の実施形態のアクチュエータ６０は電磁型であって、二つのダイアフラム２０を交互に押圧する揺動機構を有するものであったが、この実施形態のアクチュエータ６０は電磁型ではあるが、ダイアフラム２０毎に設けられている。

アクチュエータ６０は、密閉空間５０の外部に設けられ、磁性体板６１、コイル６２、磁性体６４、スペーサ６５、ボビン６８を有する。蓋体２０ａ上にはスペーサ６５が設けられている。スペーサ６５には貫通孔６７が設けられている。アクチュエータ６０とダイアフラム２０とが貫通孔６７を間にして対向配置され、アクチュエータ６０が、貫通孔６７を通してダイアフラム２０にアクセスできるようになっている。

磁性体板６１は、ほぼＬ字状断面形状に形成され、角の隅部６１１、上端部６１２、及び、下端部６１３を有している。磁性体６４は、溝形断面形状に形成され、溝底である中間部６４１、溝壁である上辺部６４２及び下辺部６４３を有している。磁性体板６１の隅部６１１に、磁性体６４の下辺部６４３が当接している。その当接部６４４を中心にして、磁性体板６１が時計回りと反時計回りとの両方向に揺動する。背中合わせに配置された磁性体６４の中間部６４１及びボビン６８の軸部６８１には、コイル６２が巻き付けられている。

（アクチュエータの動作）
磁性体板６１の上端部６１２と磁性体６４の上辺部６４２とが引き合うようにコイル６２に通電すると、当接部６４４を中心にして、磁性体板６１の下端部６１３が反時計回りに揺動し、被押圧部２３を押圧して、ダイアフラム２０を押し下げ、接点をＯＮ動作させる（可動接点４０を固定接点３０に接触させる）（図１４Ａ参照）。磁性体板６１の上端部６１２と磁性体６４の上辺部６４２とが反発するようにコイル６２に通電すると、当接部６４４を中心にして、磁性体板６１の下端部６１３が時計回りに揺動し、被押圧部２３から離れ、ダイアフラム２０を復元させることで、接点をＯＦＦ動作させる（可動接点４０を固定接点３０から離れさせる）（図１４Ｂ参照）。

各アクチュエータ２０は制御可能であるため、接点の一部又は全部をＯＮ動作させるようにアクチュエータ２０を択一的又は全体的に制御することが可能となる。
接点の全部をＯＮ動作させることは、制御上可能であるが、密閉空間５０の内圧を考えると、三接点の場合では１個か２個の接点をＯＮ動作させることが可能となる。但し、接点機構のないダミーのダイアフラム２０を設け、内部空間を確保した場合には、全部の接点をＯＮ動作させることが可能となる。また、作成時に密閉空間５０内を大気圧程度にしているため、この点からも全部の接点をＯＮ動作させることが可能となる。

一例として、３つの分室５０Ａのうち、１つまたは２つの分室５０Ａ内の接点をＯＮ動作させるとき、ダイアフラム２０に過度な負担をかけないために、ＯＮ動作させる分室５０Ａの容積と、ＯＦＦ動作させる分室５０Ａの容積との関係は、１：１〜１：２／３の範囲内であることが望ましい。それにより、ＯＮ動作させた分室５０Ａからの気体を、ＯＦＦ動作させる分室５０Ａが受け入れることにより、ＯＮ動作させた分室５０Ａのダイアフラム２０の負担を軽減させることが可能となる。

以上に説明したように、複数の接点を有するスイッチ装置の場合、全部の接点をＯＦＦ動作させることが可能である。一方で、全部の接点をＯＮ動作させることは、ダミーのダイアフラム２０を設けた場合のみ可能である。全部の接点のうち、複数を同時にＯＮ動作させる場合には、ＯＮに係る密閉空間５０の容積と、ＯＦＦに係る密閉空間５０の容積との関係が１：１〜１：２／３の範囲内であれば、ダイアフラム２０に過度な負担をかけることなく接点を動作させることが可能となる。

［第５の実施形態］
次に、第５の実施形態について図１５及び図１６を参照して説明する。図１５は、分室の配置図、図１６は、分室の押圧動作のバリエーションを示す図であり、ハッチングの有無により、押圧しているか否かを表す図である。

第４の実施形態では３個のダイアフラム２０の全部が接点機構を有するものであったが、第５の実施形態では、それらの３個のダイアフラム２０に２個のダイアフラム２０を追加し、追加した２個のダイアフラム２０は、接点機構のないダミーのダイアフラム２０となっている。ダミーのダイアフラム２０を設けたので、３個のダイアフラム２０の接点を全部ＯＮ動作させた場合でも、ダミーのダイアフラム２０が膨らむので内部空間の内圧が高くなり過ぎることを防止することが可能となる。

接点側の分室５０Ａとダミーの分室５０Ｂとの配置の組み合わせには様々な態様がある。なお、全てが接点側の分室５０Ａである態様もある。３個の接点側の分室５０Ａと２個のダミーの分室５０Ｂとを配置したものを図１５に示す。

図１６のａ〜ｄに示す分室の押圧動作のバリエーションでは、押圧する接点側の分室５０Ａをハッチングした円で、ダミーの分室５０Ｂを白抜きの円でそれぞれ表している。なお、分室５０Ａ、５０Ｂ間で気体を出し入れするための通気部５１を省略して示している。また、第４実施形態と同様に、接点側の分室５０Ａにはアクチュエータ６０が設けられ、各アクチュエータ６０を制御することで、分室５０Ａの接点を択一的にＯＮ動作させ、また、分室５０Ａ全部の接点をＯＮ動作可能となる。

次に、図１５に示すように配置された接点側の分室５０Ａ及びダミーの分室５０Ｂにおいて、各分室の押圧動作について図１６を参照して説明する。なお、作成時に密閉空間５０内を大気圧程度にしているため、接点側の分室５０Ａ全部の接点を同時にＯＦＦ動作させることが可能となる（図１６ａ参照）。

先ず、１つの接点側の分室５０Ａの接点をＯＮ動作させたとき、気体の流れの一例として、押圧された接点側の分室５０Ａ内の気体の一部はダミーの分室５０Ｂに流れると共に、押圧されていないに接点側の分室５０Ａに流れる（図１６ｂに気体の流れを矢印で示す）。

次に、２つの接点側の分室５０Ａの接点をＯＮ動作させたとき、気体の流れの一例として、一つの接点側の分室５０Ａ内の気体の一部はダミーの分室５０Ｂに流れる。また、他の一つの接点側の分室５０Ａ内の気体の一部は、押圧されていないに接点側の分室５０Ａに流れる（図１６ｃに気体の流れを矢印で示す）。

次に、３つの接点側の分室５０Ａ全部の接点をＯＮ動作させたとき、接点側の分室５０Ａ内の気体の一部は直接的にダミーの分室５０Ｂに流れ、または、接点側の分室５０Ａ内を通ってから間接的にダミーの分室５０Ｂに流れる（図１６ｄ参照）。

１０ 基板 １１ 表面 １２ 裏面
２０ ダイアフラム ２０ａ 蓋体 ２１ 内面 ２２ 外面 ２３ 被押圧部
２４ コルゲート部 ２６ 絶縁層 ２７ 周辺部
３０ 固定接点 ３１ 貫通電極 ３１ａ 貫通電極 ３１ｂ 貫通電極
３３ 貫通配線
４０ 可動接点
５０ 密閉空間 ５０Ａ 分室 ５０Ｌ 分室 ５０Ｒ 分室 ５１ 通気部
６０ アクチュエータ ６１ 磁性体板 ６２ コイル ６３ 永久磁石
６４ 磁性体 ６５ スペーサ ６６ 支点部 貫通孔６７
６８ ボビン
７１ 駆動電極 ７２ 駆動電極

Claims (2)

1. 基板と、
   互いに連通された複数の分室を有し気体が封入された密閉空間を形成するように前記基板の表面にその周辺部が接合され、前記各分室の天井部に、ドーム状に突出するように形成され、ドーム状の頂部領域を中心とする同心円状の複数の波形に形成されたコルゲート部を有するダイアフラムが設けられた蓋体と、
   前記複数の分室のうちの１以上の分室のそれぞれの底部となる前記基板の表面に設けられた固定接点と、前記１以上の分室のそれぞれの天井部となる前記ダイアフラムの内側に設けられた可動接点とを有する接点構造と、
   前記密閉空間の外部に、前記各分室の天井部に設けられた各ダイアフラムのうちの少なくとも２つのダイアフラムを交互に押圧する揺動機構を備え、前記２つのダイアフラムの少なくとも一方の内側に前記接点構造を含み、前記揺動機構として、永久磁石と、コイルと、永久磁石の極性の影響を受けた磁性体及び磁性体板とを有し、前記コイルへの通電がされたとき、前記磁性体板により前記ダイアフラムが押圧されるように前記コイルの極性の影響を受けた前記磁性体に対し前記磁性体板が相対移動され、前記コイルへの通電が止められたとき、前記磁性体板により前記ダイアフラムが押圧された状態に保持されるように前記磁性体に対し前記磁性体板が相対移動された状態に保たれることにより、前記可動接点を前記固定接点に対し接離可能に動作させるアクチュエータと、を有する
   ことを特徴とするスイッチ装置。
2. 基板と、
   互いに連通された一対の分室を有し気体が封入された密閉空間を形成するように前記基板の表面にその周辺部が接合され、前記各分室の天井部に、ドーム状に突出するように形成され、ドーム状の頂部領域を中心とする同心円状の複数の波形に形成されたコルゲート部を有するダイアフラムが設けられた蓋体と、
   前記一対の分室のそれぞれの底部となる前記基板の表面に設けられた固定接点と、前記一対の分室のそれぞれの天井部となる前記ダイアフラムの内側に設けられた可動接点とを有する接点構造と、
   前記密閉空間の外部に２つのダイアフラムを交互に押圧する揺動機構を備え、前記揺動機構として、永久磁石と、コイルと、永久磁石の極性の影響を受けた磁性体及び磁性体板とを有し、前記コイルへの通電がされたとき、前記磁性体板により前記ダイアフラムが押圧されるように前記コイルの極性の影響を受けた前記磁性体に対し前記磁性体板が相対移動され、前記コイルへの通電が止められたとき、前記磁性体板により前記ダイアフラムが押圧された状態に保持されるように前記磁性体に対し前記磁性体板が相対移動された状態に保たれることにより、前記可動接点を前記固定接点に対し接離可能に動作させるアクチュエータと、を有する
   ことを特徴とするスイッチ装置。

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