JP2002260499A - 導電性流体を利用したスイッチ装置 - Google Patents
導電性流体を利用したスイッチ装置Info
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【課題】導電性流体を用いたスイッチ装置で、動作の確
実さを高める。 【解決手段】スイッチ装置10は、一対のチャンバ5
1、52、その間を交差方向に延びるチャネル2、及び
チャネルの長さ方向に沿う離間した2位置とチャンバの
それぞれとを連結するサブチャネル41、42、が設け
られる。チャネル2は、サブチャネルと連結された2位
置間の位置に、電極31、32、33を有する。電極の
それぞれの近傍には導電性流体11、12、13が配置
される。第1の状態では、導電性流体12、13は相互
に結合され、電極32、33間の電気的導通が実現され
る。ヒータ61が動作すると、チャンバ51内で気体が
膨張し、導電性流体12の一部は、他側の導電性流体1
1に結合する。ヒータ61の動作が終了した後も、この
ラッチ状態は維持され、電極31、32間の電気的導通
が維持される。
実さを高める。 【解決手段】スイッチ装置10は、一対のチャンバ5
1、52、その間を交差方向に延びるチャネル2、及び
チャネルの長さ方向に沿う離間した2位置とチャンバの
それぞれとを連結するサブチャネル41、42、が設け
られる。チャネル2は、サブチャネルと連結された2位
置間の位置に、電極31、32、33を有する。電極の
それぞれの近傍には導電性流体11、12、13が配置
される。第1の状態では、導電性流体12、13は相互
に結合され、電極32、33間の電気的導通が実現され
る。ヒータ61が動作すると、チャンバ51内で気体が
膨張し、導電性流体12の一部は、他側の導電性流体1
1に結合する。ヒータ61の動作が終了した後も、この
ラッチ状態は維持され、電極31、32間の電気的導通
が維持される。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】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
(電気接点開閉装置)及びその製造方法に関し、より詳
細には、集積可能な機械接点式の超小型リレー又は超小
型スイッチとして使用可能なスイッチ装置の構造に関す
る。
固体電極間の開閉を機械的に行うためのスイッチ装置
(電気接点開閉装置)及びその製造方法に関し、より詳
細には、集積可能な機械接点式の超小型リレー又は超小
型スイッチとして使用可能なスイッチ装置の構造に関す
る。
【0002】
【従来の技術】この種のスイッチ装置の例が、特開昭4
7−21645号公報に開示される。開示されるスイッ
チ装置によれば、筒状体の内側に水銀等の液体からなる
導電性流体が移動可能に配置される。導電性流体は、そ
の両側に設定される気体の圧力差によって片側に移動す
ることができるよう構成される。導電性流体が移動する
ときに、それは筒状体の内部に延出するように設けられ
る電極に選択的に結合して電気的に接続され、これによ
り必要とされる電気パスが実現される。しかしながら、
この構成によれば、電極表面が経時的に変質して水銀と
接触したときに電気的接続特性が劣化してしまうという
欠点がある。更に、スイッチングの確実性を保証するこ
とも難しく、必ずしも実用的なものではなかった。
7−21645号公報に開示される。開示されるスイッ
チ装置によれば、筒状体の内側に水銀等の液体からなる
導電性流体が移動可能に配置される。導電性流体は、そ
の両側に設定される気体の圧力差によって片側に移動す
ることができるよう構成される。導電性流体が移動する
ときに、それは筒状体の内部に延出するように設けられ
る電極に選択的に結合して電気的に接続され、これによ
り必要とされる電気パスが実現される。しかしながら、
この構成によれば、電極表面が経時的に変質して水銀と
接触したときに電気的接続特性が劣化してしまうという
欠点がある。更に、スイッチングの確実性を保証するこ
とも難しく、必ずしも実用的なものではなかった。
【0003】更に他のスイッチ装置の例が、特開200
0−195389号公報に開示される。開示されるスイ
ッチ装置は、やはり水銀等の導電性流体の移動によっ
て、電気パスを接続状態又は接続解除状態に選択的に変
更可能とされる。注目すべき点は、全ての電極に対して
常時導電性流体の一部が被着しており、導電性流体が一
体になるか又は分割されることによって電気パスの接続
状態又は接続解除状態が実現される点である。これによ
れば、特開昭47−21645号公報に開示される如き
スイッチ装置で問題とされるような経時的な変質に起因
する接続不良の問題は生じない。
0−195389号公報に開示される。開示されるスイ
ッチ装置は、やはり水銀等の導電性流体の移動によっ
て、電気パスを接続状態又は接続解除状態に選択的に変
更可能とされる。注目すべき点は、全ての電極に対して
常時導電性流体の一部が被着しており、導電性流体が一
体になるか又は分割されることによって電気パスの接続
状態又は接続解除状態が実現される点である。これによ
れば、特開昭47−21645号公報に開示される如き
スイッチ装置で問題とされるような経時的な変質に起因
する接続不良の問題は生じない。
【0004】
【発明の解決すべき課題】 この種のスイッチ装置で重
要な点は、導電性流体のラッチの問題である。例えば、
気体を膨張させて(又は圧力を一時的に高め)導電性流
体を移動させた後、すぐに導電性流体がもとの位置に自
然に移動してしまうような構成では、電気的なスイッチ
ングのための素子としては実用的ではない。従って、こ
の種のスイッチ装置では、スイッチング動作の際に、導
電性流体をラッチして所定の位置に又はその変形状態を
維持することを可能にする構成が望まれており、本発明
はそのようなスイッチ装置を提供することを目的とす
る。
要な点は、導電性流体のラッチの問題である。例えば、
気体を膨張させて(又は圧力を一時的に高め)導電性流
体を移動させた後、すぐに導電性流体がもとの位置に自
然に移動してしまうような構成では、電気的なスイッチ
ングのための素子としては実用的ではない。従って、こ
の種のスイッチ装置では、スイッチング動作の際に、導
電性流体をラッチして所定の位置に又はその変形状態を
維持することを可能にする構成が望まれており、本発明
はそのようなスイッチ装置を提供することを目的とす
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、導電性
流体が移動可能なチャネルは、長さ方向の離間した位置
に複数の電極を備えて、そのそれぞれの近傍に導電性流
体の表面エネルギーを低くする(即ち、導電性流体がそ
の位置から取り除かれる移動に対して抵抗を大きくす
る)ことのできる流体維持部分を有する。気体加熱手段
を有するチャンバは、サブチャネルを介して流体維持部
分の間の位置でチャネルに連結される。サブチャネルは
それぞれ単一の独立したチャンバに連通する。チャネル
は、サブチャネルと連結される位置の近傍位置に、流体
維持部分に比較して導電性流体の表面エネルギーを高く
する(即ち、導電性流体がその位置から除去される移動
に対して抵抗を小さくする)流体移動部分を含む。気体
加熱手段の動作により気体が加熱されるとき、導電性流
体はチャネル内の流体維持部分で電極に接触する状態で
維持され、流体移動部分でのみチャネルの長さ方向に移
動するよう構成される。これによって、複数の流体維持
部分に維持される導電性流体は相互に連結された状態又
は連結が解除された状態のいずれかに選択的に置かれ
る。導電性流体が、連結された状態は、サブチャネルの
両側に位置する流体維持部分の導電性流体が、流体移動
部分に位置する導電性流体と連結された状態であり、こ
の状態は導電性流体自身の表面張力により維持され、ラ
ッチ状態となる。
流体が移動可能なチャネルは、長さ方向の離間した位置
に複数の電極を備えて、そのそれぞれの近傍に導電性流
体の表面エネルギーを低くする(即ち、導電性流体がそ
の位置から取り除かれる移動に対して抵抗を大きくす
る)ことのできる流体維持部分を有する。気体加熱手段
を有するチャンバは、サブチャネルを介して流体維持部
分の間の位置でチャネルに連結される。サブチャネルは
それぞれ単一の独立したチャンバに連通する。チャネル
は、サブチャネルと連結される位置の近傍位置に、流体
維持部分に比較して導電性流体の表面エネルギーを高く
する(即ち、導電性流体がその位置から除去される移動
に対して抵抗を小さくする)流体移動部分を含む。気体
加熱手段の動作により気体が加熱されるとき、導電性流
体はチャネル内の流体維持部分で電極に接触する状態で
維持され、流体移動部分でのみチャネルの長さ方向に移
動するよう構成される。これによって、複数の流体維持
部分に維持される導電性流体は相互に連結された状態又
は連結が解除された状態のいずれかに選択的に置かれ
る。導電性流体が、連結された状態は、サブチャネルの
両側に位置する流体維持部分の導電性流体が、流体移動
部分に位置する導電性流体と連結された状態であり、こ
の状態は導電性流体自身の表面張力により維持され、ラ
ッチ状態となる。
【0006】特に本発明は、SPDT(Single Pole Dou
ble Throw)スイッチへの応用が容易である。このスイッ
チは、回路図で示すと図1のように、1つの入力端子
(または出力端子)が2つの出力端子(または入力端
子)の間で切り替わる形態である。本発明によれば、こ
のようなSPDTスイッチの形態を単純な構造にして、
且つ比較的小型寸法にして形成できる。また、扱える信
号の周波数もある程度の限界を有する。
ble Throw)スイッチへの応用が容易である。このスイッ
チは、回路図で示すと図1のように、1つの入力端子
(または出力端子)が2つの出力端子(または入力端
子)の間で切り替わる形態である。本発明によれば、こ
のようなSPDTスイッチの形態を単純な構造にして、
且つ比較的小型寸法にして形成できる。また、扱える信
号の周波数もある程度の限界を有する。
【0007】
【発明の実施の形態】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2乃至図4によれば、特開2000−1953
89号公報に類似する、導電性流体を用いたスイッチ装
置10の構成が示される。図2は、導電性流体が第1の
状態に置かれるスイッチ装置の概略平面図であり、図3
(a)、(b)は、図2中の特に線A−Aに沿う位置の
断面の例をそれぞれ示す断面図である。また、図4は、
図2のスイッチ装置10が動作することにより導電性流
体の一部が移動した後の第2の状態を示すスイッチ装置
の概略平面図である。尚、これらに示されるスイッチ装
置は、図1のSPDTスイッチを構成する。
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2乃至図4によれば、特開2000−1953
89号公報に類似する、導電性流体を用いたスイッチ装
置10の構成が示される。図2は、導電性流体が第1の
状態に置かれるスイッチ装置の概略平面図であり、図3
(a)、(b)は、図2中の特に線A−Aに沿う位置の
断面の例をそれぞれ示す断面図である。また、図4は、
図2のスイッチ装置10が動作することにより導電性流
体の一部が移動した後の第2の状態を示すスイッチ装置
の概略平面図である。尚、これらに示されるスイッチ装
置は、図1のSPDTスイッチを構成する。
【0008】図2に示すように、スイッチ装置10は、
導電性流体11、12、13を含む単一の細長いチャネ
ル2、ヒータ(気体加熱手段)61、62を含む1対の
チャンバ51、52、チャンバ51、52とチャネル2
とをそれぞれ相互に連結させるサブチャネル41、42
を有する。更に、チャネル2の長さ方向に沿って離間し
た3箇所には、電極31、32、33が形成される。図
示されるように、サブチャネル41、42は、チャネル
2の長さ方向の離間した位置でチャネル2に対してそれ
ぞれ連結される。連結位置はそれぞれ2つの電極31、
32の間、及び電極32、33の間の位置とされる。
尚、導電性流体11、12、13は、全て同一の材料か
ら成るが、便宜上、各電極31、32、33のそれぞれ
の近傍に位置するもの個別の参照番号を付して説明す
る。また、図示しないが、電極31、32、33のそれ
ぞれは、基板71、72のいずれかの側に形成される導
電配線により、外部の回路と接続される。
導電性流体11、12、13を含む単一の細長いチャネ
ル2、ヒータ(気体加熱手段)61、62を含む1対の
チャンバ51、52、チャンバ51、52とチャネル2
とをそれぞれ相互に連結させるサブチャネル41、42
を有する。更に、チャネル2の長さ方向に沿って離間し
た3箇所には、電極31、32、33が形成される。図
示されるように、サブチャネル41、42は、チャネル
2の長さ方向の離間した位置でチャネル2に対してそれ
ぞれ連結される。連結位置はそれぞれ2つの電極31、
32の間、及び電極32、33の間の位置とされる。
尚、導電性流体11、12、13は、全て同一の材料か
ら成るが、便宜上、各電極31、32、33のそれぞれ
の近傍に位置するもの個別の参照番号を付して説明す
る。また、図示しないが、電極31、32、33のそれ
ぞれは、基板71、72のいずれかの側に形成される導
電配線により、外部の回路と接続される。
【0009】上述したように、導電性流体の参照番号1
1、12、13は、それぞれ電極31、32、33の近
傍に位置する導電性流体を示すが、特に図2に示す状態
では導電性流体11と導電性流体12とが連結し、導電
性流体13が導電性流体12から分離された第1の状態
を示している。この状態では、電極31、32間のみで
の電気的な導通が実現される。そのスイッチング動作に
ついては後述する。導電性流体は、水銀、ガリウム、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51、52内、サブチャネル41、42内、及びチャ
ネル2内の導電性流体11、12、13が占める部分以
外の空間には、窒素、アルゴン又はヘリウム等の不活性
気体又はそれと同様の作用をする非導電性流体が充填さ
れる。
1、12、13は、それぞれ電極31、32、33の近
傍に位置する導電性流体を示すが、特に図2に示す状態
では導電性流体11と導電性流体12とが連結し、導電
性流体13が導電性流体12から分離された第1の状態
を示している。この状態では、電極31、32間のみで
の電気的な導通が実現される。そのスイッチング動作に
ついては後述する。導電性流体は、水銀、ガリウム、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51、52内、サブチャネル41、42内、及びチャ
ネル2内の導電性流体11、12、13が占める部分以
外の空間には、窒素、アルゴン又はヘリウム等の不活性
気体又はそれと同様の作用をする非導電性流体が充填さ
れる。
【0010】図3(a)、(b)に例示するように、ス
イッチ装置10は、厚さ方向に重ねて結合されるところ
の、絶縁体から成る1対の基板81、82;83、84
を有する。図3(a)の例によれば、底側の基板81は
平板状とされ、頂側の基板82の内面には、略三角形の
溝85が形成される。この例では、頂側の基板82は例
えばシリコン基板から成り、溝85は例えば異方性エッ
チングにより形成される。更に、図3(a)によれば、
スイッチ装置10は、溝85の内周に沿って延びる金属
膜94、95から成る電極32を有する。金属膜94は
平板状の基板に形成され、一方金属膜93は溝85の内
面に沿って延びるよう形成され、基板81、82が張り
合わされるときに、チャネル2の断面の内周方向にわた
って延びる電極32が完成する。図3(a)は、図2中
のA−Aに沿う位置を示すものとして説明したが、電極
31、33の位置、即ち、線B−B或いは線C−Cに沿
う位置でも同様の構成を有することができる。電極3
1、32、33のそれぞれは、基板71、72のいずれ
かの側に予め形成される導電配線により、外部の回路と
接続され得る。
イッチ装置10は、厚さ方向に重ねて結合されるところ
の、絶縁体から成る1対の基板81、82;83、84
を有する。図3(a)の例によれば、底側の基板81は
平板状とされ、頂側の基板82の内面には、略三角形の
溝85が形成される。この例では、頂側の基板82は例
えばシリコン基板から成り、溝85は例えば異方性エッ
チングにより形成される。更に、図3(a)によれば、
スイッチ装置10は、溝85の内周に沿って延びる金属
膜94、95から成る電極32を有する。金属膜94は
平板状の基板に形成され、一方金属膜93は溝85の内
面に沿って延びるよう形成され、基板81、82が張り
合わされるときに、チャネル2の断面の内周方向にわた
って延びる電極32が完成する。図3(a)は、図2中
のA−Aに沿う位置を示すものとして説明したが、電極
31、33の位置、即ち、線B−B或いは線C−Cに沿
う位置でも同様の構成を有することができる。電極3
1、32、33のそれぞれは、基板71、72のいずれ
かの側に予め形成される導電配線により、外部の回路と
接続され得る。
【0011】チャネル2の断面は、図3(a)に示すよ
うに、略三角形の形状のものに限られない。図3(b)
に示す他の例によれば、底側の基板83は平板状とさ
れ、頂側の基板の内面には、略半楕円形状の溝85が形
成される。この例では、頂側の基板84は例えばガラス
基板から成り、溝86は、例えばアルミナ粒子を使用し
たサンドブラスト法によって略半楕円形の断面を持つよ
うに形成される。一例によれば、溝86の寸法は、幅が
0.1乃至0.2mm程度、深さが0.1mm程度とさ
れる。また、この例によれば、基板83の頂面上で溝8
5に重なる位置に印刷法等の方法により電極95が形成
される。図示しないが線B−B或いは線C−Cに沿う位
置の構成も、図3(b)の構成と同様とすることができ
る。
うに、略三角形の形状のものに限られない。図3(b)
に示す他の例によれば、底側の基板83は平板状とさ
れ、頂側の基板の内面には、略半楕円形状の溝85が形
成される。この例では、頂側の基板84は例えばガラス
基板から成り、溝86は、例えばアルミナ粒子を使用し
たサンドブラスト法によって略半楕円形の断面を持つよ
うに形成される。一例によれば、溝86の寸法は、幅が
0.1乃至0.2mm程度、深さが0.1mm程度とさ
れる。また、この例によれば、基板83の頂面上で溝8
5に重なる位置に印刷法等の方法により電極95が形成
される。図示しないが線B−B或いは線C−Cに沿う位
置の構成も、図3(b)の構成と同様とすることができ
る。
【0012】チャネル2は、その他従来の一般的なチャ
ネルの製造方法によって様々な形状にして形成され得
る。例えば、シリコンの異方性エッチングや、その他の
ドライエッチング、或いはドライフィルムを貼りつける
等の方法によって、そのチャネル断面の形状は、更に正
方形、長方形、台形、或いは半円形等とすることもでき
る。
ネルの製造方法によって様々な形状にして形成され得
る。例えば、シリコンの異方性エッチングや、その他の
ドライエッチング、或いはドライフィルムを貼りつける
等の方法によって、そのチャネル断面の形状は、更に正
方形、長方形、台形、或いは半円形等とすることもでき
る。
【0013】本実施形態で特に注目すべき点は、電極3
1、32、33を構成する金属膜93、94;95は、
導電性流体11、12、13に対して大きな濡れ性を有
する点である。この濡れ性によって、導電性流体11、
12、13は、各電極31、32、33のそれぞれの近
傍位置71、72、73に効果的に維持され、このこと
は、スイッチ装置10のスイッチング動作に極めて有利
となる。以下に、このスイッチ装置10の動作について
説明する。
1、32、33を構成する金属膜93、94;95は、
導電性流体11、12、13に対して大きな濡れ性を有
する点である。この濡れ性によって、導電性流体11、
12、13は、各電極31、32、33のそれぞれの近
傍位置71、72、73に効果的に維持され、このこと
は、スイッチ装置10のスイッチング動作に極めて有利
となる。以下に、このスイッチ装置10の動作について
説明する。
【0014】図2に示すように、第1の状態では、部分
77の位置で導電性流体11と導電性流体12とが連結
し、部分76の位置では導電性流体13が導電性流体1
2から分離される。この状態では、電極31、32間の
みで電気的な導通が実現され、電極33は電極31、3
2とは電気的な導通は無い。導電性流体11と導電性流
体12との連結は、流体自身の有する張力によって平衡
状態にして維持される。
77の位置で導電性流体11と導電性流体12とが連結
し、部分76の位置では導電性流体13が導電性流体1
2から分離される。この状態では、電極31、32間の
みで電気的な導通が実現され、電極33は電極31、3
2とは電気的な導通は無い。導電性流体11と導電性流
体12との連結は、流体自身の有する張力によって平衡
状態にして維持される。
【0015】この状態で、ヒータ62によりチャンバ5
2内の気体(又は同様に作用する導電性流体)を加熱す
ると、チャンバ52内の気体が膨張しようとし、これに
より導電性流体11と導電性流体12との間の部分76
における連結が解除される。このとき、導電性流体11
は、電極31に対して十分な濡れ性を有し移動されにく
い状態にあることに加え、チャネル2の一端8側に充填
されて置かれており導電性流体11の端8側への移動は
制止されるので、導電性流体11、12間を連結してい
た部分76の体積に対応する導電性流体12は導電性流
体13側に向けて移動する。この結果、図4に示すよう
に、導電性流体12と導電性流体13との間の間隙が消
失して部分77で両者が連結され、電極32と電極33
とが電気的に導通する第2の状態が実現される。
2内の気体(又は同様に作用する導電性流体)を加熱す
ると、チャンバ52内の気体が膨張しようとし、これに
より導電性流体11と導電性流体12との間の部分76
における連結が解除される。このとき、導電性流体11
は、電極31に対して十分な濡れ性を有し移動されにく
い状態にあることに加え、チャネル2の一端8側に充填
されて置かれており導電性流体11の端8側への移動は
制止されるので、導電性流体11、12間を連結してい
た部分76の体積に対応する導電性流体12は導電性流
体13側に向けて移動する。この結果、図4に示すよう
に、導電性流体12と導電性流体13との間の間隙が消
失して部分77で両者が連結され、電極32と電極33
とが電気的に導通する第2の状態が実現される。
【0016】ヒータ62による加熱は、一時的なもので
あるので、チャンバ52内の温度は直ぐに加熱温度から
通常の温度に戻るが、このとき導電性流体11と導電性
流体13との間は、流体の張力により連結状態を維持す
べく作用するので、導電パスの変更が行われた後も、電
気的導通状態はスイッチング後の状態、即ち電極32、
33が導通した第2の状態に維持される。
あるので、チャンバ52内の温度は直ぐに加熱温度から
通常の温度に戻るが、このとき導電性流体11と導電性
流体13との間は、流体の張力により連結状態を維持す
べく作用するので、導電パスの変更が行われた後も、電
気的導通状態はスイッチング後の状態、即ち電極32、
33が導通した第2の状態に維持される。
【0017】逆の動作として、図4に示す第2状態でヒ
ータ61を動作させてチャンバ51を加熱させることに
より、図2に示す第1状態に復帰させることができる。
即ち、ヒータ61によりチャンバ51内の気体を加熱す
ると、チャンバ51内の気体が膨張しようとし、これに
より部分77における導電性流体12と導電性流体13
との間の連結が解除される。このとき、導電性流体13
は、電極33に対して十分な濡れ性を有し移動されにく
い状態にあることに加え、チャネル2の他端9側に充填
されて置かれており導電性流体11の端9側への移動が
制止されるので、導電性流体12、13間を連結してい
た部分77の体積に対応する導電性流体12は導電性流
体11側に向けて移動する。この結果、図2に示すよう
に、導電性流体12と導電性流体13との間の間隙が消
失して部分76で両者が連結され、電極32と電極33
とが電気的に導通する第1の状態に復帰する。この状態
で、導電性流体11と導電性流体13との間は、流体の
張力により連結され、電極32、33が導通した安定状
態に維持される。
ータ61を動作させてチャンバ51を加熱させることに
より、図2に示す第1状態に復帰させることができる。
即ち、ヒータ61によりチャンバ51内の気体を加熱す
ると、チャンバ51内の気体が膨張しようとし、これに
より部分77における導電性流体12と導電性流体13
との間の連結が解除される。このとき、導電性流体13
は、電極33に対して十分な濡れ性を有し移動されにく
い状態にあることに加え、チャネル2の他端9側に充填
されて置かれており導電性流体11の端9側への移動が
制止されるので、導電性流体12、13間を連結してい
た部分77の体積に対応する導電性流体12は導電性流
体11側に向けて移動する。この結果、図2に示すよう
に、導電性流体12と導電性流体13との間の間隙が消
失して部分76で両者が連結され、電極32と電極33
とが電気的に導通する第1の状態に復帰する。この状態
で、導電性流体11と導電性流体13との間は、流体の
張力により連結され、電極32、33が導通した安定状
態に維持される。
【0018】従って、上述の実施形態のスイッチ装置1
0によれば、ヒータ51、52にエネルギーを与えるこ
とによりSPDT(Single Pole Double Throw)スイッチ
のスイッチング動作が実現され、このスイッチング動作
は、導電性流体11、12、13の主要部を略所定の部
分71、72、73の位置に維持する一方で、導電性流
体11、12、13の主要部間の隣り合う2つの間の部
分76、77に気体又は非導電性流体による間隙を形成
するか又は導電性流体によって間隙を埋めるかを制御す
ることにより行なわれることが理解される。従って、ス
イッチ装置10の製造工程では、導電性流体11、1
2、13は、チャネル2内で、電極31、32、33の
近傍の部分71、72、73及びそれらのうち隣り合う
一対の部分76、77のいずれか一方のみを埋める分の
体積だけ注入される必要がある点に注目すべきである。
0によれば、ヒータ51、52にエネルギーを与えるこ
とによりSPDT(Single Pole Double Throw)スイッチ
のスイッチング動作が実現され、このスイッチング動作
は、導電性流体11、12、13の主要部を略所定の部
分71、72、73の位置に維持する一方で、導電性流
体11、12、13の主要部間の隣り合う2つの間の部
分76、77に気体又は非導電性流体による間隙を形成
するか又は導電性流体によって間隙を埋めるかを制御す
ることにより行なわれることが理解される。従って、ス
イッチ装置10の製造工程では、導電性流体11、1
2、13は、チャネル2内で、電極31、32、33の
近傍の部分71、72、73及びそれらのうち隣り合う
一対の部分76、77のいずれか一方のみを埋める分の
体積だけ注入される必要がある点に注目すべきである。
【0019】また、上述の実施形態では、十分な濡れ性
を有する金属膜93、94;95を電極31、32、3
3と兼ねて使用したが、そのような金属膜93、94;
95は電極31、32、33とは別個に設けても良い。
また、金属膜は、図3(a)の如く必ずしも内周面の全
面に形成される必要は無く、図3(b)の如く、その一
部、例えばスイッチ装置10を構成すべく張り合わせる
一対の基板のうちで一方のみに形成されても良い。
を有する金属膜93、94;95を電極31、32、3
3と兼ねて使用したが、そのような金属膜93、94;
95は電極31、32、33とは別個に設けても良い。
また、金属膜は、図3(a)の如く必ずしも内周面の全
面に形成される必要は無く、図3(b)の如く、その一
部、例えばスイッチ装置10を構成すべく張り合わせる
一対の基板のうちで一方のみに形成されても良い。
【0020】図5及び図6は、本発明による第2の実施
形態となるスイッチ装置110をそれぞれスイッチング
の第1の状態及び第2の状態にして示す概略平面図であ
る。第1の実施形態との相違点は、第2の実施形態では
濡れ性を有する金属膜を必要とせず、その代わりに導電
性流体111、112、113のそれぞれを所定位置に
維持するべく必要なラッチのための部分171、17
2、173で導電性流体111、112、113に接触
する表面積を大きくしている点である。
形態となるスイッチ装置110をそれぞれスイッチング
の第1の状態及び第2の状態にして示す概略平面図であ
る。第1の実施形態との相違点は、第2の実施形態では
濡れ性を有する金属膜を必要とせず、その代わりに導電
性流体111、112、113のそれぞれを所定位置に
維持するべく必要なラッチのための部分171、17
2、173で導電性流体111、112、113に接触
する表面積を大きくしている点である。
【0021】図5に示すように、スイッチ装置110
は、同一の材料から成る導電性流体111、112、1
13を含む単一の細長いチャネル102、ヒータ(気体
加熱手段)161、162を含む1対のチャンバ15
1、152、チャンバ151、152とチャネル102
とをそれぞれ相互に連結させるサブチャネル141、1
42を有する。チャネル102の長さ方向に沿って離間
した3箇所に電極131、132、133が形成され
る。図示されるように、サブチャネル141、142は
チャネル102の長さ方向の離間した位置に連結され
る。その連結位置はそれぞれ2つの電極131、13
2、及び電極132、133の間のくびれた部分17
6、177の位置とされる。スイッチ装置110は例え
ば、1対のガラス基板を張り合わせることにより実現さ
れる。
は、同一の材料から成る導電性流体111、112、1
13を含む単一の細長いチャネル102、ヒータ(気体
加熱手段)161、162を含む1対のチャンバ15
1、152、チャンバ151、152とチャネル102
とをそれぞれ相互に連結させるサブチャネル141、1
42を有する。チャネル102の長さ方向に沿って離間
した3箇所に電極131、132、133が形成され
る。図示されるように、サブチャネル141、142は
チャネル102の長さ方向の離間した位置に連結され
る。その連結位置はそれぞれ2つの電極131、13
2、及び電極132、133の間のくびれた部分17
6、177の位置とされる。スイッチ装置110は例え
ば、1対のガラス基板を張り合わせることにより実現さ
れる。
【0022】第1の実施形態の場合と異なり、チャネル
102は単純な同径の筒状ではなく、各電極131、1
32、133の近傍に、その内面が曲面となるよう膨ん
だ形状の部分171、172、173を有する。導電性
流体111、112、113は、それぞれの部分17
1、172、173の内面と略接触して置かれる。導電
性流体111、112、113とチャネル102を構成
するガラスとは十分大きな濡れ性を有する訳ではない
が、上述の如く曲面を含む部分171、172、173
を構成することにより、導電性流体111、112、1
13が濡れの効果によってそれぞれの部分171、17
2、173内に維持される。
102は単純な同径の筒状ではなく、各電極131、1
32、133の近傍に、その内面が曲面となるよう膨ん
だ形状の部分171、172、173を有する。導電性
流体111、112、113は、それぞれの部分17
1、172、173の内面と略接触して置かれる。導電
性流体111、112、113とチャネル102を構成
するガラスとは十分大きな濡れ性を有する訳ではない
が、上述の如く曲面を含む部分171、172、173
を構成することにより、導電性流体111、112、1
13が濡れの効果によってそれぞれの部分171、17
2、173内に維持される。
【0023】図5に示す第1の状態では、導電性流体1
11と導電性流体112とが連結し、導電性流体113
が導電性流体112から分離される。この状態では、電
極131、132間のみで電気的な導通が実現され、電
極133と電極131、132との電気的な導通は無
い。導電性流体111と導電性流体112との連結は、
流体自身の有する張力によって平衡状態にして維持され
る。尚、図5及び図6に関連して、チャネル102の断
面図は示されないが、例えば略円形又は略楕円形の形状
とされ得る。従って部分171、172、173は比較
的大きな径の断面を有し、それらの間の中間部分17
6、177は比較的小さな径の断面を有する。
11と導電性流体112とが連結し、導電性流体113
が導電性流体112から分離される。この状態では、電
極131、132間のみで電気的な導通が実現され、電
極133と電極131、132との電気的な導通は無
い。導電性流体111と導電性流体112との連結は、
流体自身の有する張力によって平衡状態にして維持され
る。尚、図5及び図6に関連して、チャネル102の断
面図は示されないが、例えば略円形又は略楕円形の形状
とされ得る。従って部分171、172、173は比較
的大きな径の断面を有し、それらの間の中間部分17
6、177は比較的小さな径の断面を有する。
【0024】本実施形態によれば、導電性流体111、
112、113は第1の実施形態同様に所定の領域に略
維持され、中央の導電性流体112の一部のみが移動さ
れることによりスイッチング動作が可能となる。即ち、
図5に示す第1の状態で、ヒータ162によりチャンバ
152内の気体を加熱すると、チャンバ152内の気体
が膨張しようとし、これにより導電性流体111と導電
性流体112との間の部分176での連結が解除され
る。このとき、導電性流体111は、部分171との濡
れ性によって移動されにくい状態にあり、更に部分17
1のチャネル2の一端108側に充填されて置かれてお
り導電性流体111の端108側への移動は制止される
ので、導電性流体111、112間の中間部分176に
位置していた導電性流体112は、その体積に相当する
分だけ導電性流体113側に向けて移動する。この結
果、図6に示すように、導電性流体112と導電性流体
113との間で中間部分177に存在していた間隙が消
失して両者が連結され、電極132と電極133とが電
気的に導通する第2の状態が実現される。
112、113は第1の実施形態同様に所定の領域に略
維持され、中央の導電性流体112の一部のみが移動さ
れることによりスイッチング動作が可能となる。即ち、
図5に示す第1の状態で、ヒータ162によりチャンバ
152内の気体を加熱すると、チャンバ152内の気体
が膨張しようとし、これにより導電性流体111と導電
性流体112との間の部分176での連結が解除され
る。このとき、導電性流体111は、部分171との濡
れ性によって移動されにくい状態にあり、更に部分17
1のチャネル2の一端108側に充填されて置かれてお
り導電性流体111の端108側への移動は制止される
ので、導電性流体111、112間の中間部分176に
位置していた導電性流体112は、その体積に相当する
分だけ導電性流体113側に向けて移動する。この結
果、図6に示すように、導電性流体112と導電性流体
113との間で中間部分177に存在していた間隙が消
失して両者が連結され、電極132と電極133とが電
気的に導通する第2の状態が実現される。
【0025】ヒータ162による加熱は、一時的なもの
であるので、チャンバ152内の温度は直ぐに加熱温度
から通常の温度に戻るが、このとき導電性流体111と
導電性流体113との間は、流体の張力により連結状態
を維持すべく作用するので、導電パスの変更が行われた
後も、電気的導通状態はスイッチング後の状態、即ち電
極132、133が導通した状態に維持される。
であるので、チャンバ152内の温度は直ぐに加熱温度
から通常の温度に戻るが、このとき導電性流体111と
導電性流体113との間は、流体の張力により連結状態
を維持すべく作用するので、導電パスの変更が行われた
後も、電気的導通状態はスイッチング後の状態、即ち電
極132、133が導通した状態に維持される。
【0026】逆の動作として、図6に示す第2状態にあ
るときにヒータ161を動作させてチャンバ151を加
熱させることにより、図2に示す第1状態に復帰させる
ことができる。即ち、ヒータ161によりチャンバ15
1内の気体を加熱すると、チャンバ151内の気体が膨
張しようとし、これにより導電性流体112と導電性流
体113との間の部分177での連結が解除される。こ
のとき、導電性流体113は、部分173に対する濡れ
性によって移動されにくい状態にあり、更にチャネル1
02の他端109側に充填されて置かれており導電性流
体111の端109側への移動が制止されるので、導電
性流体112、113間を連結していた部分の体積に対
応する導電性流体112は導電性流体111側に向けて
移動する。この結果、図2に示すように、導電性流体1
12と導電性流体113との間の中間部分146に存在
していた間隙が消失して両者が連結され、電極132と
電極133とが電気的に導通する第1の状態に復帰す
る。この状態で、導電性流体111と導電性流体113
との間は、流体の張力により連結され、電極132、1
33が導通した安定状態に維持される。
るときにヒータ161を動作させてチャンバ151を加
熱させることにより、図2に示す第1状態に復帰させる
ことができる。即ち、ヒータ161によりチャンバ15
1内の気体を加熱すると、チャンバ151内の気体が膨
張しようとし、これにより導電性流体112と導電性流
体113との間の部分177での連結が解除される。こ
のとき、導電性流体113は、部分173に対する濡れ
性によって移動されにくい状態にあり、更にチャネル1
02の他端109側に充填されて置かれており導電性流
体111の端109側への移動が制止されるので、導電
性流体112、113間を連結していた部分の体積に対
応する導電性流体112は導電性流体111側に向けて
移動する。この結果、図2に示すように、導電性流体1
12と導電性流体113との間の中間部分146に存在
していた間隙が消失して両者が連結され、電極132と
電極133とが電気的に導通する第1の状態に復帰す
る。この状態で、導電性流体111と導電性流体113
との間は、流体の張力により連結され、電極132、1
33が導通した安定状態に維持される。
【0027】尚、図5及び図6に示す実施形態では、電
極131、132、133は、概念的に矩形にして示さ
れるが、これらは、スイッチ装置110を構成する一対
の基板のそれぞれにパターン形成された電極であっても
良い。また、そのパターンは、第1の実施形態によるも
のと同様に、外周にわたって延びるよう形成されても良
い。
極131、132、133は、概念的に矩形にして示さ
れるが、これらは、スイッチ装置110を構成する一対
の基板のそれぞれにパターン形成された電極であっても
良い。また、そのパターンは、第1の実施形態によるも
のと同様に、外周にわたって延びるよう形成されても良
い。
【0028】上述のような好適実施形態として示される
スイッチ装置によれば、スイッチング動作の際には、サ
ブチャネルに近接する一部の導電性流体のみが移動し、
チャネル内面との相互作用により所定の場所を占めて移
動しない導電性流体の主要部分に対して自身の張力によ
って結合されることにより、ラッチ状態が維持されるよ
う構成されるので、スイッチングの確実性が保証され
る。また、上述のように、スイッチング動作の際には、
確実なスイッチングのために最低限必要となる量の導電
性流体が移動又は変形することによって電気的スイッチ
ング動作を行うよう構成されるので、ヒータ加熱による
各キャビティの一時的な圧力上昇を導電性流体の移動又
は変形のために効率良く利用することができ、素早く且
つエネルギー効率の良い(低消費電力の)スイッチング
動作が可能となる。
スイッチ装置によれば、スイッチング動作の際には、サ
ブチャネルに近接する一部の導電性流体のみが移動し、
チャネル内面との相互作用により所定の場所を占めて移
動しない導電性流体の主要部分に対して自身の張力によ
って結合されることにより、ラッチ状態が維持されるよ
う構成されるので、スイッチングの確実性が保証され
る。また、上述のように、スイッチング動作の際には、
確実なスイッチングのために最低限必要となる量の導電
性流体が移動又は変形することによって電気的スイッチ
ング動作を行うよう構成されるので、ヒータ加熱による
各キャビティの一時的な圧力上昇を導電性流体の移動又
は変形のために効率良く利用することができ、素早く且
つエネルギー効率の良い(低消費電力の)スイッチング
動作が可能となる。
【0029】本発明によるスイッチ装置を上述の実施形
態に即して説明すると、本発明のスイッチ装置(10,
110)は、導電性流体(11,12,13)と気体と
が充填される直線方向に延びる細長のチャネル(2,1
02)、気体加熱手段(61,62;161,162)
を含み前記気体が充填されるチャンバ(51,52;1
51,152)、及び該チャンバと前記チャネルとを連
結し前記気体が充填されるサブチャネル(41,42;
141,142)とを有し、前記気体加熱手段で前記気
体を加熱して前記気体を膨張させることにより前記導電
性流体を前記チャネル内で移動又は変形させ、該導電性
流体を含む電気パスを開閉するようスイッチングするス
イッチ装置において、前記チャネルは、長さ方向の離間
した位置に複数の電極(31,32,33;131,1
32,133)を備えて該複数の電極のそれぞれの近傍
に前記導電性流体の表面エネルギーを低くすることので
きる複数の流体維持部分(71、72、73;171、
172、173)を有し、前記流体維持部分の間で前記
サブチャネルと連結され、連結位置近傍に前記導電性流
体の表面エネルギーを高くすることのできる流体移動部
分(76、77;176、177)を有し、前記気体加
熱手段の動作により前記気体が加熱されるとき、前記導
電性流体は前記チャネル内で前記流体維持部分で前記電
極に接触して維持される一方、前記流体移動部分でのみ
前記チャネルの長さ方向に移動され、これにより前記流
体維持部分に維持される前記導電性流体を相互に連結又
は解除できるよう構成されることを特徴とする。
態に即して説明すると、本発明のスイッチ装置(10,
110)は、導電性流体(11,12,13)と気体と
が充填される直線方向に延びる細長のチャネル(2,1
02)、気体加熱手段(61,62;161,162)
を含み前記気体が充填されるチャンバ(51,52;1
51,152)、及び該チャンバと前記チャネルとを連
結し前記気体が充填されるサブチャネル(41,42;
141,142)とを有し、前記気体加熱手段で前記気
体を加熱して前記気体を膨張させることにより前記導電
性流体を前記チャネル内で移動又は変形させ、該導電性
流体を含む電気パスを開閉するようスイッチングするス
イッチ装置において、前記チャネルは、長さ方向の離間
した位置に複数の電極(31,32,33;131,1
32,133)を備えて該複数の電極のそれぞれの近傍
に前記導電性流体の表面エネルギーを低くすることので
きる複数の流体維持部分(71、72、73;171、
172、173)を有し、前記流体維持部分の間で前記
サブチャネルと連結され、連結位置近傍に前記導電性流
体の表面エネルギーを高くすることのできる流体移動部
分(76、77;176、177)を有し、前記気体加
熱手段の動作により前記気体が加熱されるとき、前記導
電性流体は前記チャネル内で前記流体維持部分で前記電
極に接触して維持される一方、前記流体移動部分でのみ
前記チャネルの長さ方向に移動され、これにより前記流
体維持部分に維持される前記導電性流体を相互に連結又
は解除できるよう構成されることを特徴とする。
【0030】好ましくは、前記複数の電極は、前記チャ
ネルに沿って長さ方向に離間する3個の電極を含み、該
3個の電極のうち隣り合う2個の電極間位置のそれぞれ
に前記流体移動部分が設けられる。
ネルに沿って長さ方向に離間する3個の電極を含み、該
3個の電極のうち隣り合う2個の電極間位置のそれぞれ
に前記流体移動部分が設けられる。
【0031】 好ましくは、単一の前記サブチャネル
は、独立した単一の前記チャンバに連通するよう構成さ
れる。
は、独立した単一の前記チャンバに連通するよう構成さ
れる。
【0032】好ましくは、前記流体維持部分は、前記チ
ャネルの内面に沿って設けられる、前記導電性流体に対
して濡れ性の良い金属膜を有する。
ャネルの内面に沿って設けられる、前記導電性流体に対
して濡れ性の良い金属膜を有する。
【0033】好ましくは、前記金属膜は、前記電極と共
通とされる。
通とされる。
【0034】好ましくは、前記金属膜は、前記流体維持
部分で前記チャネルの内周に沿って延びる。
部分で前記チャネルの内周に沿って延びる。
【0035】好ましくは、前記流体維持部分は、前記チ
ャネルの内面に沿って形成される凹面を含む。
ャネルの内面に沿って形成される凹面を含む。
【0036】好ましくは、前記サブチャネルは前記チャ
ネルよりも小さな断面積を有する。
ネルよりも小さな断面積を有する。
【0037】好ましくは、前記流体維持部分のうちで、
前記チャネルの長さ方向の両端側に位置する2つは、前
記チャネルの両端の壁により前記導電性流体の外側への
移動を阻止する構成とされる。
前記チャネルの長さ方向の両端側に位置する2つは、前
記チャネルの両端の壁により前記導電性流体の外側への
移動を阻止する構成とされる。
【0038】好ましくは、前記導電性流体は、水銀、ガ
リウム、又はナトリウムカリウムから選択される。
リウム、又はナトリウムカリウムから選択される。
【図1】SPDT(Single Pole Double Throw)スイッチ
の概略回路図である。
の概略回路図である。
【図2】導電性流体が第1のスイッチング状態にして示
される第1の実施形態となるスイッチ装置の概略平面図
である。
される第1の実施形態となるスイッチ装置の概略平面図
である。
【図3】(a)、(b)は、それぞれチャネルの断面の
例を示す断面図である。
例を示す断面図である。
【図4】図2のスイッチ装置が動作して、第1のスイッ
チング状態から導電性流体の一部が移動した後の第2の
スイッチング状態を示すスイッチ装置の概略平面図であ
る。
チング状態から導電性流体の一部が移動した後の第2の
スイッチング状態を示すスイッチ装置の概略平面図であ
る。
【図5】導電性流体が第1のスイッチング状態にして示
される第2の実施形態となるスイッチ装置の概略平面図
である。
される第2の実施形態となるスイッチ装置の概略平面図
である。
【図6】図5のスイッチ装置が動作して、第1のスイッ
チング状態から導電性流体の一部が移動した後の第2の
スイッチング状態を示すスイッチ装置の概略平面図であ
る。
チング状態から導電性流体の一部が移動した後の第2の
スイッチング状態を示すスイッチ装置の概略平面図であ
る。
2、102
チャネル 10、110
スイッチ装置 11、12、13;111、112、113
導電性流体 31、32、33;131、132、133
電極 41、42;141、142
サブチャネル 51、52;151、152
チャンバ 61、62;161、162
ヒータ(気体加熱手段) 71、72、73;171、172、173
流体維持部分 76、77;176、177
流体移動部分
チャネル 10、110
スイッチ装置 11、12、13;111、112、113
導電性流体 31、32、33;131、132、133
電極 41、42;141、142
サブチャネル 51、52;151、152
チャンバ 61、62;161、162
ヒータ(気体加熱手段) 71、72、73;171、172、173
流体維持部分 76、77;176、177
流体移動部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 399117121 395 Page Mill Road P alo Alto,California U.S.A. (72)発明者 竹中 勉 東京都八王子市高倉町9番1号 アジレン ト・テクノロジー株式会社内
Claims (10)
- 【請求項1】導電性流体と気体とが充填される直線方向
に延びる細長のチャネル、気体加熱手段を含み前記気体
が充填されるチャンバ、及び該チャンバと前記チャネル
とを連結し前記気体が充填されるサブチャネルとを有
し、前記気体加熱手段で前記気体を加熱して前記気体を
膨張させることより前記導電性流体を前記チャネル内で
移動又は変形させ、該導電性流体を含む電気パスを開閉
するようスイッチングするスイッチ装置において、 前記チャネルは、長さ方向の離間した位置に複数の電極
を備えて該複数の電極のそれぞれの近傍に前記導電性流
体の表面エネルギーを低くする複数の流体維持部分を有
し、前記流体維持部分の間で前記サブチャネルと連結さ
れ、連結位置近傍に前記導電性流体の表面エネルギーを
高くする流体移動部分を有し、前記気体加熱手段の動作
により前記気体が加熱されるとき、前記導電性流体は前
記チャネル内で前記流体維持部分で前記電極に接触して
維持される一方、前記流体移動部分でのみ前記チャネル
の長さ方向に移動され、これにより前記流体維持部分に
維持される前記導電性流体を相互に連結又は解除できる
よう構成されることを特徴とするスイッチ装置。 - 【請求項2】前記複数の電極は、前記チャネルに沿って
長さ方向に離間する3個の電極を含み、該3個の電極の
うち隣り合う2個の電極間位置のそれぞれに前記流体移
動部分が設けられることを特徴とする請求項1のスイッ
チ装置。 - 【請求項3】 単一の前記サブチャネルは、独立した単
一の前記チャンバに連通するよう構成されることを特徴
とする請求項2のスイッチ装置。 - 【請求項4】前記流体維持部分は、前記チャネルの内面
に沿って設けられる、前記導電性流体に対して濡れ性の
良い金属膜を有することを特徴とする請求項1のスイッ
チ装置。 - 【請求項5】前記金属膜は、前記電極と共通とされるこ
とを特徴とする請求項4のスイッチ装置。 - 【請求項6】前記金属膜は、前記流体維持部分で前記チ
ャネルの内周に沿って延びることを特徴とする請求項4
のスイッチ装置。 - 【請求項7】前記流体維持部分は、前記チャネルの内面
に沿って形成される凹面を含むことを特徴とする請求項
1のスイッチ装置。 - 【請求項8】前記サブチャネルは前記チャネルよりも小
さな断面積を有することを特徴とする請求項1のスイッ
チ装置。 - 【請求項9】前記流体維持部分のうちで、前記チャネル
の長さ方向の両端側に位置する2つは、前記チャネルの
両端の壁により前記導電性流体の外側への移動を阻止す
る構成であることを特徴とする請求項3のスイッチ装
置。 - 【請求項10】前記導電性流体が、水銀、ガリウム、又
はナトリウムカリウムから選択されることを特徴とする
請求項1のスイッチ装置。
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- 2001-02-23 JP JP2001049481A patent/JP2002260499A/ja active Pending
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- 2002-02-21 US US10/080,643 patent/US6717495B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2002-02-25 EP EP02251271A patent/EP1235238B1/en not_active Expired - Fee Related
- 2002-02-25 DE DE60213693T patent/DE60213693T2/de not_active Expired - Fee Related
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