(57)【要約】【課題】新規な構成のスイッチング素子等の提供。【解決手段】第一電極１０と、第二電極２１及び第三電極２２、第二電極２１と第三電極２２とを絶縁する絶縁体２３を有し第一電極１０と対面する構造体２０と、第一電極１０と構造体２０との間に介在する泳動媒体４０と、泳動媒体４０内に存在し帯電を呈して電界に応じて電気泳動すると共に電気を導電可能でありさらに電界が印加されない状態で沈降する多数の泳動粒子５０と、を備える。第一電極１０と、第二電極２１や第三電極２２との間の電圧が閾値未満のときは泳動粒子５０が重力によって泳動媒体４０内を沈降して構造体２０上に敷き詰められ、第二電極２１と第三電極２２との間が電気的に導通される。一方、電圧が閾値を超えると、泳動粒子５０が電気泳動によって上昇して第一電極１０側に移動し、第二電極２１と第三電極２２との間が電気的に絶縁される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一電極と、
第二電極、第三電極、及び、前記第二電極と前記第三電極とを電気的に絶縁する絶縁体を有し、前記第二電極、前記第三電極、及び、前記絶縁体が各々前記第一電極と対面する構造体と、
前記第一電極と前記構造体との間に介在する電気的に絶縁性の泳動媒体と、
前記泳動媒体内に存在し、帯電を呈して電界に応じて電気泳動すると共に、電気を導電可能であり、さらに、電界が印加されない場合に前記泳動媒体内を浮上又は沈降する、多数の泳動粒子と、を備えるスイッチング素子。
【請求項２】
前記構造体で前記第一電極に対面する部分は、平面とされている請求項１に記載のスイッチング素子。
【請求項３】
前記第一電極と前記構造体との間に挟まれ、前記第一電極と前記構造体との間に所定の閉空間を画成する絶縁性のスペーサを備え、前記泳動媒体及び前記泳動粒子は前記閉空間内に導入された請求項１又は２に記載のスイッチング素子。
【請求項４】
前記泳動粒子は、非イオン系の表面処理剤によって表面処理されている請求項１〜３に記載のスイッチング素子。
【請求項５】
前記泳動粒子は、その比抵抗が１０２Ω・ｃｍ以下である請求項１〜５の何れか一項に記載のスイッチング素子。
【請求項６】
前記泳動粒子は、その比表面積が１０〜１００ｍ２／ｇである請求項１〜６の何れか一項に記載のスイッチング素子。
【請求項７】
前記泳動媒体は、４０℃での動粘度が１×１０−６〜１００×１０−６ｍ２／ｓである請求項１〜７の何れか一項に記載のスイッチング素子。
【請求項８】
前記泳動媒体は、５℃での密度が０．７〜２．０ｇ／ｃｍ３である請求項１〜８の何れか一項に記載のスイッチング素子。
【請求項９】
前記泳動粒子の重量をＡとし、前記泳動媒体の重量をＢとしたときに、Ａ／Ｂが０．０１〜０．０５である請求項１〜９の何れか一項に記載のスイッチング素子。
【請求項１０】
第一出力端と第二出力端との間に所定の直流電圧を発生する直流電源に接続される回路であって、
請求項１〜９の何れか一項に記載のスイッチング素子と、
前記直流電源の第一出力端と、前記スイッチング素子の第二電極又は第三電極の何れか一方との間に接続された負荷とを備え、
前記スイッチング素子の第一電極は前記直流電源の第一出力端に接続され、前記スイッチング素子の第二電極又は第三電極の何れか他方は前記直流電源の第二出力端に接続されたスイッチング回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路の導通／遮断を切り替えるスイッチング素子及びこれを用いたスイッチング回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、バリスタ、ヒューズ、ツェナーダイオード等、回路の導通／遮断をスイッチング可能なスイッチング素子が知られている。例えば、バリスタは、粒界における電子のトンネル効果によってスイッチング動作を行う。また、ヒューズは、ジュール熱によってワイヤーが切れることによってスイッチング動作を行う。また、ツェナーダイオードは、ＰＮ接合における電子のトンネル現象であるツェナー効果によりスイッチング動作を行う。
【０００３】
そして、これらのスイッチング素子を利用することにより、例えば、過電圧が供給された場合に電子機器を保護することができる。例えば、バリスタやツェナーダイオードを保護対象となる電子機器と並列に接続することにより、電子機器に過電圧が印加された場合に、電流がバイパスされて電子機器が保護される。また、ヒューズを電子機器と直列に接続することにより、電子機器に過電圧が印加された場合に、当該電子機器への回路が遮断されて電子機器が保護される。
【特許文献１】
特開昭４６−７３７１号公報
【特許文献２】
特開昭５０−３５０号公報
【特許文献３】
特開平５−６８０６号公報
【特許文献４】
特開平５−２２７７３８号公報
【特許文献５】
特開平８−２０４１２７号公報
【特許文献６】
特開平１１−１０３１４５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、さらなる低コスト化、高性能化を可能とすべく、従来とは異なる構成のスイッチング素子の開発が望まれている。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、新規な構成のスイッチング素子及びこれを用いたスイッチング回路を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスイッチング素子は、第一電極と、第二電極、第三電極及び上記第二電極と上記第三電極とを電気的に絶縁する絶縁体を有し上記第二電極、上記第三電極及び上記絶縁体が各々上記第一電極と対面する構造体と、上記第一電極と上記構造体との間に介在する電気的に絶縁性の泳動媒体と、上記泳動媒体内に存在し、帯電を呈して電界に応じて電気泳動すると共に、電気を導電可能であり、さらに、電界が印加されない場合に上記泳動媒体内を浮上又は沈降する、多数の泳動粒子と、を備える。
【０００７】
本発明に係るスイッチング素子によれば、電界が印加されない場合に泳動粒子が泳動媒体中を沈降し、第一電極が構造体の上方に位置するようにスイッチング素子が配置された場合に、以下のような動作が可能となる。すなわち、第一電極と、第二電極や第三電極との間の電圧の大きさが所定の閾値未満であり、第一電極と第二電極や第三電極との間の電界によって泳動粒子が重力に反して上方に泳動されない場合には、泳動粒子が重力によって泳動媒体内を沈降して構造体上に上記第二電極から上記絶縁体を通って上記第三電極まで敷き詰められ、第二電極と第三電極との間がこの泳動粒子の群によって電気的に導通される。一方、第一電極と、第二電極や第三電極との間に印加される電圧の大きさが所定の閾値を超え、第一電極と第二電極や第三電極との間の電界によって泳動粒子が重力に反して上方に電気泳動されるようになると、泳動粒子が第二構造体から第一電極側に移動し、泳動粒子と第二電極や第三電極とが接触しなくなり第二電極と第三電極との間が電気的に絶縁される。
【０００８】
また、電界が印加されない場合に泳動粒子が泳動媒体中を浮上し、第一電極が構造体の下方に位置するようにスイッチング素子が配置された場合に、以下のような動作が可能となる。すなわち、第一電極と、第二電極や第三電極との間の電圧の大きさが所定の閾値未満であり、第一電極と第二電極や第三電極との間の電界によって泳動粒子が重力に反して下方に泳動されない場合には、泳動粒子が重力によって泳動媒体内を浮上して構造体の下面に上記第二電極から上記絶縁体を通って上記第三電極まで敷き詰められ、第二電極と第三電極との間がこの泳動粒子の群によって電気的に導通される。一方、第一電極と、第二電極や第三電極との間に印加される電圧の大きさが所定の閾値を超え、第一電極と第二電極や第三電極との間の電界によって、泳動粒子が重力に反して静電気力により下方に泳動されるようになると、泳動粒子が第二構造体側から第一電極側に移動し、泳動粒子と第二電極や第三電極とが接触しなくなり第二電極と第三電極との間が電気的に絶縁される。
【０００９】
このため、第一電極と、第二電極や第三電極との間の電圧に応じて、第二電極と第三電極との間の導通／遮断を繰り返し切替可能な新規な構成のスイッチング素子が実現される。
【００１０】
ここで、構造体で上記第一電極に対面する部分は、平面とされていることが好ましい。
【００１１】
これによれば、泳動粒子が均一に敷き詰められやすくなるので、電圧による導通／遮断の切替が確実に行える。
【００１２】
また、上記第一電極と上記構造体との間に挟まれ、上記第一電極と上記構造体との間に所定の閉空間を画成する絶縁性のスペーサを備え、上記泳動媒体及び上記泳動粒子は上記閉空間内に導入されたことが好ましい。
【００１３】
これによれば、好適な構造のスイッチング素子が実現され、製造も容易となる。
【００１４】
また、上記泳動粒子は、非イオン系の表面処理剤によって表面処理されていることが好ましい。
【００１５】
これによれば、泳動粒子が泳動媒体内で凝集しにくくされ、スイッチングがより確実に行われるようになる。
【００１６】
また、上記泳動粒子は、その比抵抗が１０２Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
これによれば、第二電極と第三電極とを導通する場合の抵抗が低くなって、発熱が抑制される。
【００１８】
また、上記泳動粒子は、その比表面積が１０〜１００ｍ２／ｇであることが好ましい。
【００１９】
これによれば、泳動粒子の電気泳動が好適に行われる。
【００２０】
また、上記泳動媒体は、４０℃での動粘度が１×１０−６〜１００×１０−６ｍ２／ｓであることが好ましい。
【００２１】
これによれば、泳動粒子が好適に泳動されると共に、繰り返し性能が高くされる。
【００２２】
また、上記泳動媒体は、５℃での密度が０．７〜２．０ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。
【００２３】
これによれば、泳動が好適に行われるとともに、重力による沈降や浮上も好適に行われ、繰り返し性能も高くされる。
【００２４】
また、上記泳動粒子の重量をＡとし、上記泳動媒体の重量をＢとしたときに、Ａ／Ｂが０．０１〜０．０５であることが好ましい。
【００２５】
これによれば、電圧が所定の閾値未満の場合に第二電極と第三電極との間が泳動粒子によって好適に導通されると共に、電圧が所定の閾値を超えた場合に泳動媒体中を泳動粒子が好適に泳動する。
【００２６】
本発明に係るスイッチング回路は、第一出力端と第二出力端との間に所定の直流電圧を発生する直流電源に接続される回路であって、上記のスイッチング素子と、上記直流電源の第一出力端と、上記スイッチング素子の第二電極又は第三電極の何れか一方との間に接続された負荷とを備え、上記スイッチング素子の第一電極は上記直流電源の第一出力端に接続され、上記スイッチング素子の第二電極又は第三電極の何れか他方は上記直流電源の第二出力端に接続された回路である。
【００２７】
本発明によるスイッチング回路によれば、上述のスイッチング素子を用いていることにより、以下の作用が得られる。すなわち、スイッチング素子がスイッチングする閾値電圧の大きさより小さい直流電圧が第一電極と、第二電極や第三電極と、の間に印加されている場合には、第二電極と第三電極との導通が確保されて、負荷に所定の電圧が印加される。一方、閾値電圧を超える大きさの電圧が第一電極と、第二電極や第三電極と、の間に印加される場合には、泳動粒子が上方または下方に泳動して第二電極と第三電極との間が絶縁され、負荷に対して閾値電圧を超える電圧が負荷に印加されることが妨げられる。これにより、負荷への過電圧保護回路が好適に提供される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るスイッチング素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２９】
図１は、本発明の実施形態に係るスイッチング素子の一部破断斜視図、図２は、本発明の実施形態に係るスイッチング素子の垂直断面図である。本実施形態に係るスイッチング素子１００は、主として、第一電極１０と、構造体２０と、第一電極１０と構造体２０との間に介在されたスペーサ３０と、第一電極１０及び構造体２０及びスペーサ３０とによって画成される空間３５内に封入された泳動媒体４０及び泳動粒子５０とを備えている。
【００３０】
第一電極１０は導体によって形成された矩形板であり、水平配置されている。
また、構造体２０は、第一電極１０の下方に所定の間隔離間されて第一電極１０と対向し、第一電極１０と同様の矩形板状を呈している。
【００３１】
この構造体２０は、電気絶縁材料から形成された絶縁体２３を有している。また、構造体２０は、導体によって形成され、絶縁体２３を水平方向に両側から挟む一対の第二電極２１及び第三電極２２を有している。第二電極２１と第三電極２２とは絶縁体２３によって互いに電気的に絶縁されている。また、構造体２０の上面における第二電極２１から第三電極２２を通って絶縁体２３にわたる部分は、水平面とされ、第一電極１０の下面と各々対面している。
【００３２】
そして、第二電極２１、第三電極２２及び絶縁体２３は、これらを下面側から接合する接合部材２４によって互いに接続され一体化されている。
【００３３】
第一電極１０、第二電極２１及び第三電極２２の材質は導体であれば特に限定されず、アルミ、銅、ニッケルなどの金属、あるいは、ガラスやプラスチックに導電体被膜をコーティングしたもの等を利用できる。
【００３４】
スペーサ３０は、絶縁材料からなって矩形の水平枠状を成し、上面側に絶縁性の接着剤層３１を有すると共に、下面側に絶縁性の接着剤層３２を有し、第一電極１０と構造体２０との間に上下に挟まれて固定されている。そして、第一電極１０の下面と、構造体２０の第二電極２１、第三電極２２及び絶縁体２３の上面と、スペーサ３０及び接着剤層３１及び接着剤層３２の内周面とによって、所定の空間（閉空間）３５が画成されている。
【００３５】
そして、空間３５内には、泳動媒体４０及び多数の泳動粒子５０が封入されている。泳動媒体４０は、絶縁性を示す流体である。この泳動媒体４０は、泳動粒子５０を分散させて泳動媒体４０中の泳動粒子５０の電気泳動や沈降を可能とする。この泳動媒体４０としては、化学的に安定で、電気絶縁破壊強度が高く、泳動粒子５０を安定に分散できるものであることが好ましい。また、泳動媒体４０は、イオンを含まず、また、電界が印加されてもイオンを生じないことが好ましい。例えば、流動パラフィン、シリコーンオイル、各種炭化水素、各種芳香族炭化水素、有機塩化物等を例示できる。
【００３６】
さらに、泳動媒体４０は、４０℃における動粘度が１×１０−６〜１００×１０−６ｍ２／ｓ（１〜１００ｃＳｔ）であることが好ましい。動粘度がこの範囲を外れると、泳動粒子５０が泳動しにくくなったり、後述する繰り返し性能が低下しやすくなったりする傾向がある。
【００３７】
また、泳動媒体４０は、２５℃における密度が０．７〜２．０ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。泳動媒体４０の密度がこの範囲を外れると、泳動が起こりにくくなったり、沈降が起こりにくくなったりする傾向があり、繰り返し性能が低下しやすくなる傾向がある。
【００３８】
一方、空間３５内の泳動媒体４０内に入れられた泳動粒子５０は、泳動媒体４０中で帯電を呈する、すなわち、正又は負の正味の電荷を帯びるものであり、空間３５内の電界に応じて泳動媒体４０中を電気泳動可能となっている。
【００３９】
泳動粒子５０の帯電様式は様々考えられ、例えば、泳動粒子５０全体が帯電していてもよく、泳動粒子５０が核と被覆層とを有する多重構造を有する場合には、核が帯電していても、被覆層が帯電していてもよく、さらに、泳動媒体４０が表面改質されている場合には表面改質物質によって界面が帯電していても良い。
【００４０】
また、泳動粒子５０の密度は泳動媒体４０よりも高く、空間内に電界が印可されない場合に、泳動粒子５０は重力によって沈降する。さらに、泳動粒子５０は、少なくともその表面に半導体又は導体を有して電気を導電することができる。
【００４１】
加えて、泳動粒子５０の量は構造体２０の上面で第二電極２１の表面から絶縁体２３の表面を通って第三電極２２の表面までに亘って敷き詰めることができる程度である。そして、構造体２０の上面に第二電極２１から絶縁体２３を通って第三電極２２に亘って泳動粒子５０が敷き詰められた場合には、泳動粒子５０同士の接触や一部の泳動粒子５０と第二電極２１あるいは第三電極２２との接触等により、第二電極２１から第三電極までの電気の導通路を形成し、電気の導通が可能となる。
【００４２】
ここで、泳動粒子５０は、比抵抗が小さいことが好ましく、具体的には、比抵抗が１０２Ωｃｍ以下であることが好ましい。泳動粒子５０の比抵抗が１０２Ωｃｍを超えると泳動粒子５０により形成する電気導通路の抵抗が高くなって発熱量が高くなる傾向がある。
【００４３】
さらに、泳動粒子５０は、粒子径が小さいことが好ましい。具体的には、泳動粒子５０の比表面積が１０〜１００ｍ２／ｇであることが好ましい。泳動粒子５０の比表面積がこの範囲から外れると、電気泳動が起こりにくくなると共に、泳動速度が低くなる傾向がある。さらに、泳動粒子５０は、粒度範囲が狭いことが好ましい。
【００４４】
また、この泳動粒子５０は、非イオン系の表面処理剤により表面処理されていることが好ましい。表面処理が成されると、泳動媒体４０中での泳動粒子５０同士の凝集が起こりにくくなると共に、第一電極１０や構造体２０等への付着等も起こりにくくなる。これによって、繰り返し性能が高くなり、応答が速くなる。
ここで、泳動溶媒４０がフッ素溶媒以外の場合は、非イオン系の界面活性剤や、非イオン系かつエーテル系の表面処理剤等を用いることが好適である。一方、泳動溶媒４０がフッ素系溶媒の場合は、非イオン系のフッ素処理剤を用いることが好適である。フッ素系溶媒において、非イオン系のフッ素処理剤以外で表面処理がなされた泳動粒子を用いると、泳動溶媒内で処理剤が泳動粒子から分離する傾向がある。
【００４５】
このような泳動粒子５０の例を具体的に挙げれば、例えば、半導体が好適に利用できる。具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ等の表面にドナーやアクセプターをドーピングして半導体化させたものがある。また、酸化物半導体として、例えば、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３等を還元したもの、あるいは、これらの粒子の表面にドナーやアクセプターをドーピングして半導体化させたものが挙げられる。また、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＮｂＮ等の窒化物や、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＷＣ、ＴａＣ等の炭化物等や、カーボン等も利用できる。
【００４６】
また、泳動粒子５０として金属を利用することもでき、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ等の貴金属、Ｎｉ、Ｃｕ等の卑金属、貴金属と卑金属との合金等や、これらを半導体や導電性ポリマー等でコーティングしたものを利用できる。
【００４７】
空間３５内に存在する泳動媒体４０と泳動粒子５０との比は、泳動粒子５０の重量をＡとし泳動媒体４０の重量をＢとしたときに、Ａ／Ｂが０．０１〜０．０５となることが好ましい。Ａ／Ｂが０．０１未満では、泳動粒子５０が少ないために、泳動粒子５０が構造体２０上に敷き詰められても第二電極２１と第三電極２２との間での電気的な導通が確立しにくくなる傾向がある。一方、Ａ／Ｂが０．０５以上となる場合には、空間３５内における泳動粒子の存在割合が高くなるため、泳動粒子の電気泳動が阻害され易くなる傾向がある。
【００４８】
次に、本スイッチング素子１００の作用について説明する。本スイッチング素子においては、第一電極１０と、第二電極２１あるいは第三電極２２との間に印加される電圧の大小によって、第二電極２１と第三電極２２との間の導通／遮断がスイッチングされる。
【００４９】
以下詳細に説明する。第一電極１０と、第二電極２１あるいは第三電極２２と、の間に印加される電圧Ｖによって空間３５には上向き又は下向きの電界Ｅが生じる。このため、泳動媒体４０内の泳動粒子５０には、上向き又は下向きの静電気力Ｓが生じる。また、泳動粒子５０には、さらに、重力及び浮力による力Ｗ、すなわち、泳動媒体４０の密度と泳動粒子５０の密度との差に応じて生ずる力が働く。すると、泳動粒子５０に働く正味の力Ｆは、上向きを正として、Ｆ＝Ｓ＋Ｗとなる。
【００５０】
ここで、まず、簡単のため、泳動粒子５０が正に帯電している場合について説明する。第一電極１０と、第二電極２１あるいは第三電極２２との間に印加される電圧Ｖの大きさが所定の閾値電圧ＶＳ未満となって泳動媒体４０内の上向きの電界の強さが所定の値未満となりＦ＜０となる場合には、図２に示すように、泳動粒子５０は重力により沈降して第二電極２１、絶縁体２３、第三電極２２の各々の表面上にわたって敷き詰められ、第二電極２１と第三電極２２との間を電気的に導通することになる。
【００５１】
一方、第一電極１０と第二電極２１あるいは第三電極２２との間に印加される電圧Ｖの大きさが所定の閾値電圧ＶＳを超えて泳動媒体４０内の上向きの電界の強さが所定の値を超えてＦ＞０となる場合には、図３に示すように、泳動粒子５０は電気泳動により上昇し、第二電極２１や第三電極２２と接触しなくなるので、第二電極２１と第三電極２２との間は絶縁されることとなる。
【００５２】
一方、泳動粒子５０が負に帯電している場合には、次のようになる。すなわち、第一電極１０と、第二電極２１あるいは第三電極２２との間に印加される電圧Ｖの大きさが所定の閾値電圧ＶＳ未満となって泳動媒体４０内の下向きの電界の強さが所定の値未満となり、Ｆ＜０となる場合には、図２に示すように、泳動粒子５０は重力により沈降して第二電極２１、絶縁体２３、第三電極２２の各々の表面上にわたって敷き詰められ、第二電極２１と第三電極２２との間を電気的に導通することになる。
【００５３】
一方、第一電極１０と第二電極２１あるいは第三電極２２との間に印加される電圧Ｖの大きさが所定の閾値電圧ＶＳを超えて泳動媒体４０内の下向きの電界の強さが所定の値を超え、Ｆ＞０となる場合には、図３に示すように、泳動粒子５０は電気泳動により上昇し、第二電極２１や第三電極２２と接触しなくなるので、第二電極２１と第三電極２２との間は絶縁されることとなる。
【００５４】
また、泳動粒子５０が正に帯電する場合、負に帯電する場合、の何れの場合も、第一電極１０と、第二電極２１及び第三電極２２との間の電圧Ｖの大きさが所定の閾値電圧ＶＳ未満、例えば、ゼロ、等に戻ると、泳動粒子５０が沈降し構造体２０上に再び敷き詰められることととなって、第二電極２１と第三電極２２との間の導通が復帰し、スイッチング動作の繰り返しが可能となっている。
【００５５】
そして、このようなスイッチングが起こる閾値電圧ＶＳは、泳動粒子５０の帯電量、密度等の物性、泳動媒体４０の密度等の物性、さらに、第一電極１０と第二電極２１や第二電極２１とのギャップ長さ等によって変化するので、これらを適宜変えることにより、所望の閾値電圧ＶＳでスイッチング動作が起こるスイッチング素子を得ることができる。
【００５６】
また、本実施形態においては、構造体２０で、第一電極１０に対面する部分が平面とされているので、第二電極２１から絶縁体２３を通って第三電極２２に亘って泳動粒子が敷き詰められやすくなり、導通／遮断の切り替えが好適に行われている。
【００５７】
また、スペーサ３０によって、泳動粒子５０や泳動媒体が封入される所定の閉空間３５を画成しているので、構造が簡素化されてスイッチング素子を好適に製造できる。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態に係るスイッチング素子によれば、第一電極１０と、第二電極２１や第三電極２２との間の電圧の大きさが所定の閾値未満であって、第一電極１０と第二電極２１や第三電極２２との間の電界によって泳動粒子５０が上方に泳動されない場合には、泳動粒子５０が重力によって泳動媒体内を沈降して第二電極２１の表面から絶縁体２３の表面を通って第三電極２２の表面に亘って敷き詰められ、第二電極２１と第三電極２２との間がこの泳動粒子５０の群によって電気的に導通される。一方、第一電極１０と、第二電極２１や第三電極２２との間に印加される電圧の大きさが所定の閾値を超え、第一電極１０と第二電極２１や第三電極２２との間の電界によって泳動粒子５０が重力に打ち勝って上方に電気泳動されると、泳動粒子５０が第一電極１０側に移動し、泳動粒子５０と第二電極２１や第三電極２２とが接触しなくなり第二電極２１と第三電極２２との間が電気的に絶縁される。このため、第一電極１０と、第二電極２１や第三電極２２との間の電圧に応じて、第二電極２１と第三電極２２との間の導通／遮断を繰り返し切替可能な新規な構成のスイッチング素子１００が実現される。
【００５９】
なお、本実施形態において、泳動粒子５０として、電界が印可されない場合に泳動媒体４０中で重力により沈降するものを用いたが、電界が印可されない場合に泳動媒体４０中で重力により浮上する泳動粒子を用いてもよい。この場合は、スイッチング素子１００を上下逆さまに配置して構造体２０の下方に第一電極１０が位置するようにした状態で使用すればよく、上述と同様のスイッチング動作が可能である。
【００６０】
次に、このようなスイッチング素子１００の製造方法の一例を、図４（ａ）〜図６（ｂ）を参照して説明する。
【００６１】
具体的には、まず、構造体板７０を製造する。ここでは、図４（ａ）に示すように、絶縁体である板材６を、導体である板材３及び導体である板材２で両側から挟んで板状に並べ、一方の面側から板状の接合部材９を接着することにより板材３、板材６、板材２を一体化する。なお、図４（ｂ）に示すように、板材６の両側に熱硬化型等の接着剤を塗布した後、この板材６を板材２及び板材３で両側から挟むようにしても良い。これによって、図５（ａ）に示す平板状の構造体板７０が完成する。
【００６２】
次に、図５（ｂ）に示すように、第一電極板７４を用意する。この第一電極板７４は、構造体板７０の大きさに対応する所定厚みの導体である。
【００６３】
次に、図５（ｃ）に示すようなスペーサ板７２を用意する。このスペーサ板７２は、構造体板７０の大きさに対応する所定厚みの絶縁体シートに、所定の大きさの穴７をプレス等により複数形成したものである。
【００６４】
つぎに、スペーサ板７２の下面に、所定厚みの接着層７３を印刷等により塗布し、構造体板７０にスペーサ板７２を貼り合わせてその後乾燥させる（図６（ａ）参照）。そして、泳動媒体４０と泳動粒子５０とを所定の比率で混ぜ合わせて攪拌した後、スペーサ板７２内の穴７に各々ピペット等で滴下して満たす。
【００６５】
次に、第一電極板７０の下面で、スペーサ板７２の表面形状に対応する部分に、マスク印刷によって所定厚みの接着層７５を塗布し、図６（ｂ）に示すように、穴７内に気泡が入らないようにして、スペーサ板７２の上に第一電極板７０を乗せて貼り合わせてその後乾燥させ、素子集合体１５０を形成する。
【００６６】
最後に、この素子集合体１５０を所定の寸法に切断して、スイッチング素子１００を得る。
【００６７】
次に、過電圧が印加されないように負荷Ｒ１を保護するためにスイッチング素子１００を利用する場合を例にして、本実施形態に係るスイッチング素子を用いたスイッチング回路の実施形態について、図７を参照して説明する。
【００６８】
本実施形態に係るスイッチング回路２００は、直流電源８０と、可変抵抗ＲＶと、保護対象となる負荷Ｒ１と、負荷Ｒ２とを有している。負荷Ｒ１の一端は、可変抵抗ＲＶを介して電圧Ｖ１を発生する直流電源８０の負極に接続されている。一方、負荷Ｒ１の他端は、スイッチング素子１００の第三電極２２と接続されている。また、スイッチング素子１００の第一電極１０は、負荷Ｒ２及び可変抵抗ＲＶを介して直流電源８０の負極に接続されている。さらに、スイッチング素子１００の第二電極２１は、スイッチＳＷ１を介して直流電源８０の正極と接続されている。ここで、スイッチング素子１００においては、正に帯電すると共に、電界の印可されない状態で泳動媒体４０中を沈降する泳動粒子５０を用いている。
【００６９】
ＳＷ１が開放されている場合には、スイッチング素子や負荷Ｒ１に対して電圧は印加されない。このとき、泳動粒子５０は、重力によって沈降した結果、第二電極２１の表面から、絶縁体２３の表面、第三電極２２の表面にわたって、密に敷き詰められた状態となっている。そして、この泳動粒子５０は、全体として、第二電極２１と第三電極２２との間を電気的に導通可能とする。
【００７０】
つぎに、ＳＷ１が閉じられると、直流電源８０からの電圧Ｖ１によって、電流は、直流電源８０の正極から、スイッチＳＷ１、スイッチング素子１００の第二電極２１、泳動粒子５０、第三電極２２を順に流れて負荷Ｒ１に供給され、さらに、可変抵抗ＲＶを通って直流電源８０の負極に戻ることになる。このとき、第一電極１０は、直流電源８０の負極に接続されており、スイッチング素子１００の第一電極１０と、スイッチング素子１００の第二電極及び第三電極２２との間に電圧Ｖ１が印加されることになり、空間３５内に上向きの電界Ｅ１が生ずることになる。このため、正の電荷を有する泳動粒子５０には、上向きの静電気力Ｓ１が働く。しかしながら、スイッチング素子１００の閾値電圧ＶＳをＶ１よりも大きいものとし、Ｅ１の電界ではＦ＝Ｓ１＋Ｗ＜０となるように設定することにより、泳動粒子５０が上方に泳動することなく導通が維持される。そして、負荷Ｒ１に所定の直流電圧Ｖ１が印加され続けることとなる。すなわち、図８（ａ）に示す回路と等価な回路が実現される。
【００７１】
これに対して、サージ等の外乱等により、負荷Ｒ１の両端に直流電源８０の電圧Ｖ１を超える過電圧Ｖ２が印加される場合には、第一電極１０と、第二電極２１及び第三電極２２との間にＥ１よりも高い電界Ｅ２が生ずることとなる。そして、正の電荷を有する泳動粒子５０には、Ｓ１よりも強い上向きの静電気力Ｓ２が働く。そして、Ｖ２がスイッチング素子１００の閾値電圧ＶＳを超え、Ｆ＝Ｓ２＋Ｗ＞０となると、泳動粒子５０が上方に向かって泳動を始める。これにより、第二電極２１と第三電極２２との間が絶縁され、負荷Ｒ１に過電圧Ｖ２が印加されなくされる。すなわち、図８（ｂ）に示す回路と等価な回路が実現される。この状態では、泳動粒子５０は第一電極１０の表面に接触することとなる。
【００７２】
そして、過電圧Ｖ２によって、泳動粒子５０が上方に移動して第一電極１０に接触した後、第一電極１０と第二電極２１との間の電圧がＶ１に戻ったり、あるいは、電圧が０になったりすることにより、泳動粒子５０は下方に沈降して再び第二電極２１と第三電極２２との間の導通が回復し、負荷Ｒ１に対して電圧Ｖ１を印加可能となる。すなわち、外乱等によってスイッチングがおきて、負荷Ｒ１への回路が遮断されても、不具合が解消すれば、自動的な復帰が可能となる。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態に係るスイッチング回路２００によれば、スイッチング素子１００がスイッチングする閾値電圧より低い直流電圧が第一電極１０と、第二電極２１や第三電極２２と、の間に印加されている場合には、第二電極２１と第三電極２２との導通が確保されて、負荷Ｒ１に所定の電圧が印加される。一方、閾値電圧を超える電圧が第一電極１０と、第二電極２１や第三電極２２と、の間に印加される場合には、泳動粒子５０が上方に泳動して第二電極２１と第三電極２２との間が絶縁され、負荷Ｒ１に対して閾値電圧を超える電圧が印加されることが妨げられる。これにより、負荷Ｒ１荷対する過電圧保護回路を提供できる。
【００７４】
次に、本実施形態にかかるスイッチング素子を作成して特性を調べた。
【００７５】
（実施例１）
まず、表面層がＳｂドープされたＳｎＯ２粒子を用意した。このＳｎＯ２粒子の比表面積は７０ｍ２／ｇ、粉体抵抗は１．５Ω・ｃｍであった。そして、この粒子に、表面処理剤としてエーテル系の非イオン系表面処理剤（東邦化学（株）製）を添加して混合し、その後乾燥して泳動粒子とした。
【００７６】
また、泳動媒体として、イソパラフィンを用意した。このイソパラフィンは、２５℃における密度が０．７８ｇ／ｃｍ３であり、４０℃での動粘度が８５×１０−６ｍ２／ｓ（８５ｃＳｔ）であった。ここで、泳動粒子は、泳動媒体中で正に帯電し、また、電界が印加されない場合に泳動媒体中で沈降する。
【００７７】
次に、縦３ｍｍ、横１００ｍｍ、厚みが０．２ｍｍのアルミ板を用意して第一電極板とし、さらに、縦３ｍｍ、横１００ｍｍ、厚みが０．１５ｍｍのＰＥＴ製のシートを用意し、このシートに、縦２ｍｍ、横６ｍｍの穴を１０ｍｍ間隔で横方向に、２ｔプレスで複数開けてスペーサ板とした。
【００７８】
続いて、縦０．５ｍｍ、横１００ｍｍ、厚み０．２ｍｍのＰＥＴ板を用意し、これを縦１．２５、横１．２５、厚みが０．２ｍｍの２つのアルミ板で両側から挟み、一方の面側からポリイミドテープを貼付して一体化して、縦３ｍｍ、横１００ｍｍ、厚み０．２ｍｍの構造体板を用意した。
【００７９】
次に、スペーサ板の一方の面に０．０５ｍｍ厚の２液性のエポキシ接着剤を印刷により塗布し、このスペーサ板を構造体板の他方の面と貼り合わせて乾燥した。
【００８０】
次に、泳動媒体と、泳動粒子とを、泳動粒子の重量Ａ／泳動媒体の重量Ｂが０．０１３５となるように混合して攪拌し、スペーサ板の各穴に滴下した。そして、第一電極板の一方の面に、マスク印刷にて０．０５ｍｍの厚みのエポキシ接着剤を塗布した。このとき、スペーサ板と貼り合わせた場合にスペーサ板の穴の部分に対応する場所を除くようにマスクを用いてエポキシ接着剤を第一電極板に塗布した。その後、第一電極板をスペーサ板の穴内に気泡が入らないようにスペーサ板と貼り合わせて乾燥させ、縦３ｍｍ、横１００ｍｍ、厚み０．６５ｍｍのスイッチング素子集合体を得た。そして、この集合体を横１０ｍｍずつに切断して、縦３ｍｍ、横１０ｍｍ、厚み０．６５ｍｍの第一の実施例に係るスイッチング素子を得た。
【００８１】
（実施例２）
泳動媒体として、２５℃での密度が１．３２ｇ／ｃｍ３、４０℃での動粘度が５３×１０−６ｍ／ｓ２（５３ｃＳｔ）であるシリコンオイルを用いた以外は実施例１と同様にして、第二の実施例に係るスイッチング素子を得た。
【００８２】
（実施例３）
泳動媒体として２５℃での密度が１．６５ｇ／ｃｍ３、４０℃での動粘度が２×１０−６ｍ／ｓ２（５３ｃＳｔ）であるフッ素系溶媒（住友スリーエム（株）製フロリナート）を用いると共に、泳動粒子の作成において、表面処理剤として非イオン系のフッ素処理剤（例えば、ダイキン工業（株）製）を用いた以外は実施例１と同様にして、第三の実施例に係るスイッチング素子を得た。
【００８３】
そして、このようにして得られたスイッチング素子を、上述した実施形態におけるスイッチング回路（図７参照）におけるスイッチング素子１００として適用し、電源電圧を５、１０，２０，３０，５０，７５，１００Ｖと段階的に増加させ、各々の場合に負荷Ｒ１を流れた電流値を測定した。ここでは、第一電極を構造体よりも上方になるようにスイッチング素子を各々配置した。１００Ｖにおける電流値の測定後には、電源電圧を０Ｖに戻した。また、繰り返し性能を検証すべく、このような一連の操作を全部で１０回繰り返した。この結果を図９〜図１１に示す。なお、簡単のため、３回目、４回目、６〜９回目の電圧増加過程における各測定値の図示は省略しているが、何れも１回目の結果と同じであった。
【００８４】
この結果より明らかなように、実施例１〜３のスイッチング素子においては、各々所定以上の電圧が印加されると負荷Ｒ１に電流が流れなくなっており、泳動粒子の上方への電気泳動により第二電極と第三電極との間が絶縁されスイッチング素子として機能することが示された。また、１０回の繰り返し動作を行っても、スイッチング動作が同じスイッチング電圧で行われており、繰り返し動作可能なスイッチング素子が提供されることが示された。
【００８５】
また、実施例１のスイッチング素子のスイッチングの閾値は５〜１０Ｖの間にあり、実施例２のスイッチング素子のスイッチングの閾値は１０〜２０Ｖの間にあり、実施例３のスイッチング素子のスイッチングの閾値は５０〜７５Ｖの間にあり互いに異なっている。実施例１、実施例２、実施例３においては、泳動媒体の密度や物性等が互いに異なっており、これによって泳動媒体に働く浮力や帯電量等が変化するので、閾値が変化したものと考えられる。これらによって、本実施形態に係るスイッチング素子の有用性が実証された。
【００８６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形態様をとることが可能である。例えば、上記回路においては、電界が印可されない状態で泳動媒体中を沈降する泳動粒子を有するスイッチング素子を用いているが、電界が印可されない状態で泳動媒体中を浮上する泳動粒子を有するものを用いてもよい。また、上記回路においては、泳動媒体中で正に帯電する泳動粒子を有するスイッチング素子を用いているが、泳動媒体中で負に帯電する泳動粒子を有するスイッチング素子を有するものを用いてもよい。
【００８７】
【発明の効果】
上記説明したように、本発明によれば、第一電極と、第二電極や第三電極との間の電圧に応じて、第二電極と第三電極との間の導通／遮断を繰り返し切替可能な新規な構成のスイッチング素子およびこれを用いたスイッチング回路が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るスイッチング素子を示す一部破断斜視図である。
【図２】図１の垂直断面図である。
【図３】図２のスイッチング素子において、泳動粒子が上方に泳動した状態を示す垂直断面図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、図１のスイッチング素子の製造工程を説明する断面図である。
【図５】図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、図４（ａ）に続く工程を説明するための斜視図である。
【図６】図６（ａ）、図６（ｂ）は、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に続く工程を説明するための斜視図である。
【図７】図１のスイッチング素子を用いたスイッチング回路の回路図である。
【図８】図８（ａ）は、図７の回路の第一の動作状態と等価な回路を示す回路図であり、図８（ｂ）は、図７の回路の第二の動作状態と等価な回路を示す回路図である。
【図９】実施例１に係るスイッチング素子の特性を示す図である。
【図１０】実施例２に係るスイッチング素子の特性を示す図である。
【図１１】実施例３に係るスイッチング素子の特性を示す図である。
【符号の説明】
１０…第一電極、２１…第二電極、２２…第三電極、２３…絶縁体、３０…スペーサ、４０…泳動媒体、５０…泳動粒子、８０…直流電源、１００…スイッチング素子、２００…スイッチング回路、Ｒ１…負荷。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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