JP3834862B2

JP3834862B2 - 機械式電気スイッチ素子

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Publication number: JP3834862B2
Application number: JP08077296A
Authority: JP
Inventors: 弘塩見
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-03-07
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: JPH09245564A; EP0794543B1; EP0794543A3; US5818148A; EP0794543A2; DE69723134D1; DE69723134T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチ素子、特に大電力用のスイッチ素子に関する。特にオン時の抵抗が低くオフ時の抵抗が高くしかも大電流を高速で開閉できる機械的スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電流のスイッチングにはこれまで、大きく分けて２種類の方法が用いられている。一つは機械式スイッチである。もう一つは半導体スイッチである。
以下の式は、電流を制御するために必要なパラメータを明示した式である。
【０００３】
Ｉ＝ＡｅｎμＶ／ｄ（１）
【０００４】
ここで、Ｉは電流、Ａは電流が流れる面積、ｎはキャリヤ密度、μはキャリヤの移動度、Ｖは印加電圧、ｄは電極間距離である。例えば上記の式において、電流の流れる面積を制御するのが機械式スイッチである。一方上記の式において、キャリヤ密度を増減する事によって電流値を制御する素子が半導体素子である。
【０００５】
機械式スイッチは、電流の流れる部分を、機械的に接触させたり、離隔したりすることによってスイッチングを行う。スイッチが閉じているとき（オン時）は、導体中を電流が流れる。通電時の抵抗は電極の接触抵抗のみである。そのためにジュール熱による損失が少なく、大電流を流すことができる。またスイッチが開いている時（オフ時）は、導体間が空気中をｍｍオーダの距離で離れているため高電圧を印加することができる。
【０００６】
一方、半導体スイッチは、半導体中のキャリヤの密度を制御する事によってスイッチングを行っている。キャリア密度の制御は、ｐｎ接合、ショットキー接合、或いはＭＩＳ接合における空乏層制御によってなされる。空乏層制御は、その応答が速い事から、高速スイッチに適している。しかしながら絶縁破壊を避けるためには電圧が印加される部分の電界強度が絶縁破壊電界以下であるようにしなければならない。
【０００７】
例えば、Ｓｉでは絶縁破壊電界が３×１０⁵ Ｖ／ｃｍである。だから数ｋＶの耐電圧を得るためには、数百μｍの厚みの層が必要である。このような厚い層はオフ時の絶縁の為には有効であるが、オン時には問題を引き起こす。数百μｍの厚みの層があると、スイッチが閉じている（オン時）状態ではこの部分に大電流が流れる。すると多大のジュール熱が発生する。熱のために素子が破壊される恐れがある。熱破壊を避けるため、オン時の電流量が制限される。オン時の抵抗が低く、オフ時の耐圧の高い事が望まれる。
【０００８】
例えば、パワー半導体素子の限界については、以下の文献に記載がある。
▲１▼特集、”最新パワー・デバイス活用研究”、トランジスタ技術、１９９４年９月号、ｐ１９８（１９９４）．
▲２▼B. J. Baliga,"Power semiconductor device figure of merit for high-frequency applications", IEEE Electron Device Lett., vol.10, p455(1989).
▲３▼B. J. Baliga, "Power ICs in the saddle", IEEE Spectrum, vol. July, p34(1995).
【０００９】
具体的言えば、既存のＳｉデバイスの延長上での技術開発では、将来にＳｉの材料限界に到達する。以後それ以上の電流密度のスイッチ素子を作る事ができない。
【００１０】
新規な大電流スイッチ素子の材料として、半導体ダイヤモンドや半導体ＳｉＣが試みられている。これらの新材料は耐熱性に優れているから、原理的にＳｉの材料限界を越えると言われている。これら新材料によるスイッチ素子は実現していない。たとえ実現したとしてもこれらの新規材料も半導体素子として用いる限り、オフ時の高い耐電圧とオン時の低い直列抵抗の関係は互いに相反する要求であり続ける。機能を失う限界となる温度が高いのでより大きい電流を流すことができるだけである。これらの新材料によって半導体スイッチ素子を作製できたとしても、早晩限界に到達するであろう。
【００１１】
一方、機械式スイッチでは、先に述べたように、大電流を流す事も、高い耐電圧を得る事も可能である。金属製の接点を直接に接触させたり離隔したりするからである。例えば変電所の開閉器は、数万Ａ、数十ｋＶの高電圧の電力のスイッチングを行っている。これは先述のオン時の抵抗が小さく、オフ時の耐電圧が高い事という二つの要請を同時に満たす事ができる。しかしながら、これは機械式のスイッチであるから、スイッチング速度が遅いという欠点がある。
【００１２】
例えば機械式開閉器は、数ｋＨｚの周波数で電流をオンオフすることが困難である。さらに大電流を切ったときに、スイッチの接点間にアーク放電が発生する。アーク電圧は初め低いが時間とともに上昇し、電源電圧に近づくにつれて電流が減少しやがて消滅する。アークの存在によって電流が完全に切れるのに時間がかかる。さらに問題なのはアーク放電によって接点が損傷を受けるということである。そこで接点がアークによって損傷を受けないように接点の近傍に消弧板を設けて、アークを冷却し消滅を速めるための提案がいくつかなされている。
【００１３】
▲４▼特公平７ー８２７９６号
▲５▼特公平７ー８２７９７号
▲６▼特公平７ー８２７９８号
▲７▼特公平７ー８７０６０号
【００１４】
これらはアークが消弧板に速く接触して冷却されるようにしたり、磁石で作ったアーク吸引部材を設けてアークを引きつけて冷却したりして、アークを短時間で消滅させる。アークを迅速に消滅させることによってスイッチ接点の消耗を防いでいる。開閉のためにスイッチ片を接触させたり離したりするので、離隔時にア−クが発生するのは避けがたい。
【００１５】
▲８▼特公平７ー８２８９８号
これは機械式スイッチである。接点が互いに滑り接触するので、滑り摩擦が小さく、接点の抵抗が小さいなどの必要がある。優れた摺動部材、接触部材が必要である。従来は鉛やアンチモンなどが使われていた。しかしこれらは有毒である。そこで銅・炭素を基材とし、熱硬化性樹脂、タール、金属、グラファイトなどをバインダーとして基材に混ぜる。バインダーが基材と合金などを作らないようにする。これによって無毒の材料によって潤滑が可能になったと述べている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
半導体のスイッチ素子は、高速応答性に優れる。スイッチの開閉時間が短い。特に遮断に要する時間が短い。しかし一般に遮断時の耐電圧が低い、また閉時（オン時）の直列抵抗が大きいので、発熱が著しく大電流を流す事が難しい。金属接点を開閉する機械スイッチは閉成時（オン時）の抵抗が０に近いので、大電流を流すことができる。しかし遮断時にアークができるから完全にオフになるのに時間がかかる。高速開閉できない。
【００１７】
つまり、従来のスイッチは何れにしても、
▲１▼高い耐電圧
▲２▼低い直列抵抗
▲３▼速いスイッチ速度
という３つの要求に対していくつかを満足できるが、その全てを満たさない。勿論これ以外に繰り返し開閉に耐えるという条件が課されるのは勿論である。
【００１８】
本発明は、耐電圧、直列抵抗、スイッチ速度の３つの要求の全てに優れたスイッチ素子を提供することを第１の目的とする。アークが発生せずアークによる電極の損耗が起こらないようにしたスイッチ素子を提供することが第２の目的である。アーク発生を防ぎ遮断に要する時間を短くできるスイッチ素子を提供することが本発明の第３の目的である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
高い耐電圧と低い直列抵抗と速いスイッチ速度を実現するために、本発明は耐摩耗性に優れた多数の微小な導体部と絶縁部が表面に交互に並び導体部を結合する集電部を有する２枚の摺動板を面接触させ、微小駆動装置によって相互に滑らせることによって、一方の摺動板から他方の摺動板へ流れる電流を開閉できるようにした。導体部、絶縁部を多数設けた２枚の板を面と平行に移動させるがこれは僅かな距離でよい。板の平行駆動には圧電素子、静電素子など微小駆動装置を用いる。
【００２０】
導体部の幅Ｄは絶縁部の幅Ｚよりも短い（Ｄ＜Ｚ）。導体部も絶縁部も細長い平行な帯状の領域（長さＬ）とすることができる。絶縁部がＺ×Ｌ、導体部がＤ×Ｌの矩形状の帯になる。この場合長手方向と直角の方向に導体部、絶縁部を動かす事によって、スイッチの開閉動作をする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
いくつかの実施の態様が有り得る。
１．金属に溝を切り、この溝に絶縁体を充填したものを摺動板とする。金属の表面の一部を導体部とする。このような摺動板２枚を重ね合わせる。縞と直角の方向に摺動板を動かす駆動装置はいずれかの摺動板の端に設ける。
【００２２】
２．平坦な金属の上に絶縁性ダイヤモンド膜を成長させ縞状にエッチングして金属を露呈させて溝の部分に導電性のあるダイヤモンドを成長させる。金属表面に導電性のあるダイヤモンドと絶縁性のダイヤモンドが平行縞状に形成される。
【００２３】
３．平坦な金属の上に導電性ダイヤモンド膜を成長させ縞状にエッチングして金属を露呈させて溝の部分に絶縁性のあるダイヤモンドを成長させる。金属表面に導電性のあるダイヤモンドと絶縁性のダイヤモンドが平行縞状に形成される。
【００２４】
このように平行縞状のスイッチの他に、島状のスイッチも可能である。導体部を島として絶縁部の海に孤立して点在させるのである。例えば、一辺がＤの正方形を縦横のピッチがＺ（２Ｄ＜Ｚ）になるように絶縁部に均等に分布させる。２枚の摺動板を合わせ、導体部が互いに合致するようにしたとき両者は導通する。この位置よりＺ／２だけ両者をずらせると絶縁状態になる。この場合は摺動方向として２方向が可能になる。スイッチとして自由度が高まる。
導体部と絶縁部が異なる材料によって作られていても差し支えない。この場合勿論導体部、絶縁部の両方の材料が耐摩耗性に優れている必要がある。
【００２５】
導体部と絶縁部が異なる材料より成るのではなく、同一の材料から成るようにするとさらに導体部幅、絶縁部幅を小さくする事ができる。例えば同じ材料に不純物を選択ドーピングすることによって導体部と絶縁部の区別を生じさせる。ために導体部、絶縁部の空間的な周期Ｔ（＝Ｄ＋Ｚ）を極めて短いものにすることができる。空間的周期Ｔが短いと、開閉の為に板を動かす距離Ｌ（Ｄ＜Ｌ＜Ｚ）が短くて済む。移動距離Ｌが短いと、移動に要する時間ｔが短くなるので開閉時間が短縮される。また摺動距離Ｌも短いので、接触面の摩耗が少ない。
【００２６】
導体部と絶縁部が異質材料からなる素子の場合、絶縁部の材料は、酸化物、窒化物などとする事ができる。導体部の材料は金属とすることができる。例えば絶縁部はＳｉＯ₂ 、ＳｉＮ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＡｌＮ、ＢＮ、ＴｉＮ、ＴｉＯ₂ などである。導体部はＭｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｇなどである。
導体部と絶縁部が同一材料からなる素子の場合は、例えば、ダイヤモンドが適当である。ダイヤモンドのノンドープ層を絶縁部とし、例えばボロンドープ層を導体部とすることができる。
【００２７】
導体部、絶縁部は帯状（短冊状）とすることができる。導体部の幅Ｄ、絶縁部の幅Ｚは数ｍｍあっても良いが、好ましくは１ｍｍ以下であるようにする。金属の溝に絶縁部を形成する場合、１ｍｍ以下の帯状構造を作製する事は容易な事である。反対に絶縁体に溝を掘り、溝に金属の導体部を作製するようにしても良い。この場合でも溝の幅を１ｍｍより小さくする事は容易である。
【００２８】
さらにダイヤモンドの一部に不純物を選択ドープして、導体部と絶縁部をストライプ状に形成する場合は、Ｄ、Ｚを１μｍ程度にまで小さくする事ができる。Ｄ＜Ｚという条件は常に課されるが、Ｄ、Ｚの大きさは１μｍ以上であって、好ましくは１ｍｍ以下であるということができる。これらのパラメータは、電流遮断時（オフ時）の耐電圧に関係する。耐電圧を上げるためには、ＤやＺを１ｍｍ以上にした方が良い場合もある。
【００２９】
また帯状とは限定されない。導体部は孤立した微小な四辺形、円形、楕円形であっても良い。例えば、Ｐ×Ｑの四辺形を導体部とすると、移動方向の辺の長さをＰとして、空間的周期Ｔは、２Ｐ＜Ｔであれば良い。円形の場合は、半径をＲとして、空間周期Ｔは、４Ｒ＜Ｔであればよい。導体部を円形や、楕円形にすると、２枚の摺動板が動いて導体部同士が接触し始めるとき、接触面積の増加が緩やかになる。導体部同士が離れるときも徐々に離れるようになる。
【００３０】
導体部は絶縁部によって離隔しているから、摺動板のどこかに於いて導体部が相互に接続されなければならない。これが集電部である。摺動板の背面全体を金属にすることによってこれがなされる。また摺動板の中央部のみを金属にしてもよい。
【００３１】
これら２枚の摺動板を面平行な方向に移動させるために駆動装置が必要である。これはモータによる回転を減速し直線往復運動に変換する駆動機構であっても良い。さらにリレーのように電磁石の磁力によって舌片を動かすようにしてもよい。さらに微小運動をさせるためには圧電素子を用いる事もできる。
【００３２】
摺動板を面平行に移動させる微小駆動装置は、例えば圧電素子を用いる。圧電素子は積層構造にする事によって、数十μｍ以上の距離の駆動が可能になる。摺動板の相対移動距離Ｌは、縞状の構造の場合、Ｄ＜Ｌ＜Ｚである。Ｄ、Ｚが小さければ移動距離Ｌも小さくて良い。だから圧電素子や静電素子によって駆動できる。
【００３３】
【実施例】
［実施例▲１▼］図１に本発明の実施例に係る機械式スイッチの概略構成斜視図を示す。図２に素子の断面図を示す。これは第１摺動板１と第２摺動板２を表面において接触させたものである。第１摺動板１は導電性基板３とその上に形成されたダイヤモンドの接触膜４とよりなる。第２摺動板は導電性基板５とその上に形成された接触膜６とよりなる。さらに第１摺動板１に対して第２摺動板を相対駆動させるために第１摺動板１の上には駆動素子３０が設けられる。駆動素子３０の側面は第２摺動板２の端面に張り合わせてある。
【００３４】
接触膜４、接触膜６はこの例ではダイヤモンドになっている。全体がダイヤモンドであるが、帯状に導電性部分７、９が形成される。残りの部分は絶縁性部分８、１０である。ダイヤモンドは本来絶縁性の材料である。縞状に不純物をドープすることによって導電性の部分を形成することができる。導電性基板３、５はＭｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｉなどを用いることができる。駆動素子３０にはリード１１、１２が取り付けられる。これに電圧を印加することによって駆動素子が歪み、第１摺動板、第２摺動板が相対変位する。第１、第２摺動板１、２の導電性基板３、５には電流を流すためのリード１３、１４が取り付けてある。
【００３５】
接触膜４、６の導電性部分７、９が互いに対向する位置にあればこれはスイッチが閉じた状態になる。リード１３から導電性基板３、導電性部分７、導電性部分９、導電性基板５、リード１４という順に電流が流れる。
反対に、導電性部分７が相手方の絶縁部分１０に、導電性部分９が相手方の絶縁部分８に接触する場合、これはスイッチが開いた状態になる。電流は絶縁部８、１０によって遮断される。
【００３６】
図３（１）〜（６）によってこの機械式電気スイッチ素子の製造方法を説明する。ここでは導電性基板として厚さ２ｍｍのＭｏ板を採用する（図３（１））（Ｓｉ基板でも同様に製造できる）。Ｍｏ基板４０の上に、気相合成法によって、高抵抗のダイヤモンド膜を合成する。合成装置はマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いた。
【００３７】
図４にマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の概略断面図を示す。縦長のチャンバ１５の中には支持棒１６によってサセプタ１７が支持される。サセプタ１７の上に試料１８が戴置される。この場合試料１８はＭｏ基板である。チャンバ１５の上端部にはガス導入口１９があり、ここから水素ガス、メタンガス、ジボランガスなどが導入される。それぞれガス流量制御システム２０、２１、２２によって流量が制御される。水素ガスとメタンガスによって絶縁性のダイヤモンドを作ることができる。
【００３８】
メタン以外の炭化水素ガスを原料として利用する事もできる。ジボランはホウ素を放出し、ホウ素はｐ型不純物としてダイヤモンドに入る。ダイヤモンドをｐ型に変えて抵抗を下げ導電性にすることができる。ｐ型になった部分は導電性部分７、９になり、そうでない部分は絶縁部分８、１０になる。縞状のマスクを使って縞状に導電性部分を形成することができる。
【００３９】
［原料ガスはチャンバ内部に入ると下降流となりチャンバ内を通り抜ける。下底部には廃ガス出口２４がある。ここからバルブ２５を経てポンプによって排出される。マイクロ波発振機（図示せず）から生じたマイクロ波２７は、導波管２６を通り、サセプタ１７の近傍でチャンバ１５内部に進入する。導波管２６とチャンバ１５はここで直交するように配置されている。プランジャ２９によってマイクロ波を反射できる。プランジャ２９の位置を調整しマイクロ波のモードを規定し、安定なマイクロ波をチャンバ内に導入するようにする。
【００４０】
原料ガスはマイクロ波によって励起されプラズマ３０となる。サセプタ１７にはヒ−タがあってサセプタを加熱できるようになっている。試料１８はプラズマによっても加熱されるしヒ−タによっても加熱される。気相反応が起こりダイヤモンドが次第にＭｏ試料１８の上に堆積してゆく。廃ガスと未反応ガスはさらに下へ流れて、廃ガス出口２４からバルブ２５を通過し真空ポンプによって引かれて排出される。
合成条件は次の通りである。
【００４１】
基板Ｓｉ或いはＭｏ
原料ガス水素（Ｈ₂ ）２００ｓｃｃｍ
メタン（ＣＨ₄ ）６ｓｃｃｍ
二酸化炭素（ＣＯ₂ ）１ｓｃｃｍ
水素希釈１０００ｐｐｍジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）
絶縁部生成時０ｓｃｃｍ
導体部生成時１０ｓｃｃｍ
【００４２】
圧力１００Ｔｏｒｒ
２．４５ＧＨｚマイクロ波パワー５００Ｗ
基板温度１１００ ℃
成膜時間３０ｈｒ
【００４３】
こうして図３（２）に示すような状態になる。基板４０の上に一様にダイヤモンド膜４１が形成されている。次いでレ−ザ加工によって溝を加工した。溝を平行に多数等間隔に設ける。縞状にダイヤモンド層４３が残る。溝４２の間隔は１００μｍである。レ−ザ加工の代わりにＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）によっても山溝構造を形成することができる。また、レーザ加工やエッチングのかわりに選択的成長によって山溝構造を作ることもできる。
【００４４】
その上から高濃度ボロンドープダイヤモンド膜４４をさらに形成した。条件は上記の表において導体部生成時として示した通りである。ノンドープの場合と違うのは、水素で１０００ｐｐｍに希釈したジボランを１０ｓｃｃｍ容器に供給するということだけである。その他の条件はノンドープの場合と同じである。こうしてできたものを図３（４）に示す。ボロンドープ層を選択成長で形成することもできる。
【００４５】
さらに表面を研磨して余分なボロンドープダイヤモンドを除去し表面を平滑にした。表面にノンドープダイヤモンドが露出するようになっている。これが図３（５）に示すものである。Ｍｏ基板の上にノンドープダイヤモンド４３と、ボロンドープダイヤモンド４５が交互に縞状に形成される。
【００４６】
こうして作製した２枚の短冊状ダイヤモンド板を張り合わせ、積層圧電アクチュエータ（駆動素子）４６を上部の短冊電極ダイヤモンド基板に接合した。これが図３（６）に示すものである。最後に配線を行い、図１のような機械式スイッチを完成した。
【００４７】
このスイッチは５ｋＶの耐圧を示した。５００Ａの電流を１０ｋＨｚの周波数でオンオフできた。従来の機械式スイッチによってこのような高速で大電圧、大電流を開閉することは困難であった。本発明の優れている事が良く分かる。さらに１００００時間の動作によってもスイッチ動作に変化はなかった。
【００４８】
［比較例１］上記の例とほぼ同じであるが、短冊状の電極の幅を１μｍ以下にしたものを作製した。これの耐圧は１００Ｖ以下に下がった。電極の幅が余りに狭いと耐圧が低くなるから望ましくない。そこで短冊の幅は１μｍ以上にするのが好ましい。
【００４９】
［比較例２］上記の例とほぼ同じであるが、短冊状の電極の幅を１ｍｍ以上にしたものを作製した。電極幅を増やすと絶縁破壊電圧は上昇する。しかしそうすると振動の幅も増えるので動作時間が増える。電極幅を１ｍｍ以上にすると、積層圧電アクチュエータの必要な移動振幅が増えるので、アクチュエータの動作に数ｋＶの高電圧を必要とする。このため高速スイッチイングが困難になった。
【００５０】
［比較例３］積層圧電アクチュエータを外部に置いて短冊状電極を摺動させた。しかしながら、実施例１の場合と異なり積層圧電素子から発生する熱が効果的に放熱されないために、１０ｋＨｚ、１０００時間の動作で、積層圧電アクチュエータが劣化した。実施例１では、積層圧電アクチュエータがダイヤモンド上に設置されているために、効果的な放熱ができる。だから１００００時間の動作でもスイッチ動作に変化はなかったのである。ダイヤモンドは摺動抵抗を下げて動作を速くし、スイッチの寿命を高めるだけでなく、アクチュエータの熱を効果的に放熱して、寿命を高揚できる。二重の利点を持っている。
【００５１】
［実施例２］図５（１）に示すようにＭｏの基板５０を準備した。厚さは２ｍｍである。Ｍｏ基板５０にフォトレジストを塗布しマスクによって露光し１００μｍ間隔のライン５１＆スペース５２のレジストパターンを形成した。これが図５（２）に示す状態である。さらにフッ酸によりレジストを介してＭｏ基板５０をエッチングした。レジストによって覆われていない部分に溝を形成することができた。これを図５（３）に示す。溝５４と山５３が並び一方の端には平坦な低地ができる。溝の深さは１５０μｍである。
【００５２】
次にＳｉＯ₂ ５５を堆積した。ＳｉＯ₂ はＳＯＧをスピン法によって塗布し加熱処理することによって形成した。これを図５（４）に示す。溝５４にも山５３にもＳｉＯ₂ ５５が乗っている。全体をＳｉＯ₂ ５５によって覆うようになっている。つぎに実施例１と同じ方法によって、表面を研磨し余分のＳｉＯ₂ を除去した。これを図５（５）に図示する。
【００５３】
こうして作製した２つの同等な短冊状電極を実施例１と同じようにして張り合わせ、スイッチ素子を作製した。さらに一方の端に圧電素子よりなる駆動素子５７を取り付けた。これはダイヤモンドではなく、ＳｉＯ₂ とＭｏよりなるスイッチである。導体部がＭｏ基板そのものの一部５３よりなり、絶縁部がＳｉＯ₂ ５６よりなる。異種物質を交互に並べたものである。摺動抵抗は低い。研磨によって十分に平坦な摺動面を得ることができる。
【００５４】
このスイッチは４ｋＶの耐圧を示した。１０ｋＨｚの高速で、８００Ａの電流をオンオフすることができた。５０００時間の動作でも、スイッチ動作に変化はなかった。耐圧、速度ともに優れた機械式スイッチである。
この実施例ではＣＶＤ法を使わず、ＭｏエッチングとＳＯＧ塗布など簡便なプロセスだけによって優れた性質をもつ機械式スイッチを作製できる。
【００５５】
［実施例３］実施例２の工程において、短冊状の溝を形成したＭｏの上に、ＳｉＯ₂ の替わりにＣＶＤ法によってダイヤモンドを堆積した。図４の装置によってマイクロ波プラズマ法によってダイヤモンドを溝の中と外に形成した。これは図５（４）と同様である。製法は上記の表においてノンドープダイヤモンドを作る場合と同じ（ジボラン＝０ｓｃｃｍ）である。ダイヤモンドを研磨して山の部分から除去し平坦にした。導体部がＭｏ、絶縁体がダイヤモンドとなる。
【００５６】
これに駆動素子を付けて機械式スイッチとした。このスイッチは５ｋＶの耐圧を示した。８００Ａの電流を１０ｋＨｚの周波数でオンオフできた。８０００時間の動作によってスイッチ動作に変化はなかった。絶縁体にダイヤモンドを用いることによって、実施例２と比べて耐圧と耐久性を向上させることができた。
【００５７】
［実施例４］実施例３において作製したスイッチ素子の摺動性を高めるために、炭素系の油脂を接触界面に形成した。そうするとさらに摺動特性が向上した。シリコン系の油脂を塗布することによっても摺動特性が改善される。また二硫化モリブデンを界面に塗ることによっても摩擦を低減し摺動抵抗を下げることができる。これらの潤滑材の塗布によって、オン時の抵抗は殆ど上がらない事が分かった。
【００５８】
【発明の効果】
本発明の機械式電気スイッチは次のような優れた効果がある。
（１）短冊状に導体部と絶縁部を交互に並べこれを対接させて短冊の長手方向と直角に滑らせるようにしたので、対接面を摺動させてスイッチを開閉できる。ひとつひとつの導体部の面積は小さいが数多くの導体部を設けるから、全体としての有効接触面積は広く、大きい電流を開閉できる。
【００５９】
接触面を面と直角の方向に移動させるのではなくて面と平行な方向に動かす。導体部と導体部の間に空間がなく絶縁体が満ちている。アークが発生するような空間がない。このためにスイッチを切るときにアークを生じない。アークを引かないので遮断時の動作が速い。つまり面の僅かな滑りによって大きな電流量を制御できるという優れた利点がある。
【００６０】
（２）滑り面の駆動にはモータと減速機、クランクなどの機構を用いても良い。開閉のためのスイッチの移動の振幅が極めて小さい。振幅が小さいので開閉速度を高めることができる。滑り面の駆動に静電式或いは圧電式のアクチュエータを用いると、これまでの機械スイッチより格段に速い開閉が可能となる。１０ｋＨｚ以上の高速開閉は容易にできる。従来の機械スイッチでは望みがたい事であった。
【００６１】
（３）絶縁部、導体部の幅を狭くし、数を増やすことにより静電式或いは圧電式アクチュエータの限られた駆動範囲で、十分大きい接触面積を確保することができる。例えば短冊状絶縁部導体部の幅を１ｍｍ以下にすれば、これらのアクチュエータによって十分に駆動できる。
【００６２】
（４）ダイヤモンドが滑り面になっている。高速で繰り返し摺動しなければならないので潤滑性、耐摩耗性に優れた材料が必要である。ダイヤモンドはそのような機械的な性質に優れている。
【００６３】
（５）ダイヤモンドは本来高抵抗材料であり不純物ドープによって導体部を作ることができる。絶縁部と導体部が同じ材料によって作られるので、境界部に硬度、熱膨張率、摩擦係数などの物性の不連続性がない。ために２枚の板の摺動摩擦が円滑である。ダイヤモンドは熱伝導性が良く、アクチュエータの放熱、摩擦熱の放熱の効果が大きい。
【００６４】
（６）半導体スイッチではない。あくまで機械式スイッチである。オン時の抵抗が極めて低い。オン抵抗が小さいのでオン時の発熱は極わずかである。
（７）個体の絶縁破壊電界は、気体の絶縁破壊電界より１桁から２桁高いので、機械的スイッチを作成した場合、絶縁破壊電界が発生し難い。中でもダイヤモンドは極めて高い絶縁破壊電界を有する。空気、Ｓｉ、ダイヤモンドの絶縁破壊電界を下に示す。
【００６５】

【００６６】
つまり本発明は大電力の制御のために、多数の微小機械式摺動スイッチを用いる。耐摩耗性に優れ、絶縁体であるが電気伝導性を持ち得るダイヤモンドを摺動部分の材料に用いることによって、微小振幅の運動によって大電流を瞬時に開閉することができる。
【００６７】
大規模な機械式開閉スイッチでは数十ＭＶＡを扱える。が応答速度が極めて遅い。半導体素子は応答速度は速い。しかしオン時の抵抗が大きいので大電力を扱う事ができない。本発明は、半導体素子に比肩できるぐらいの高速で、半導体スイッチを遥かに上回る大電流を開閉できる。従来の大規模機械式スイッチの扱える大電力を、何倍もの高速で開閉できる。本発明はダイヤモンドのマイクロマシン技術を用いて機械式スイッチを作製するものであるが、従来の半導体スイッチ、機械式スイッチの長所を合わせ兼ね備えるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の機械式電気スイッチの概略構成を示す斜視図。
【図２】本発明において用いる２枚の摺動板のオフ時の断面図。
【図３】金属板の上にダイヤモンド膜を形成することによって摺動板を作製するようにした第１の実施例に係るスイッチの製造過程を説明する断面図。
【図４】本発明の実施例に係るスイッチの摺動板をダイヤモンドによって作るためのマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の概略断面図。
【図５】摺動板を金属と絶縁体によって作るようにした第２の実施例に係るスイッチの製造過程を説明する断面図。
【符号の説明】
１摺動板
２摺動板
３導電性基板
４接触膜
５導電性基板
６接触膜
７導電性部分
８絶縁部分
９導電性部分
１０絶縁部分
１１リード
１２リード
１３リード
１４リード
１７駆動素子
３０駆動素子
４０Ｍｏ基板
４１ダイヤモンド薄膜
４２溝
４３縞状ノンダイヤモンド層
４４ボロンドープダイヤモンド膜
４５縞状ボロンドープダイヤモンド層
４６駆動素子
５０Ｍｏ基板
５１ライン
５２スペース
５３山の部分
５４溝の部分
５５ＳｉＯ₂ 膜
５６縞状のＳｉＯ₂ 膜
５７駆動素子

Claims

導電性基板の上に導体部と絶縁部が交互に並んだ構造を持ち互いに導体部と絶縁部を有する面において接触する摺動板２枚と、２枚の摺動板を面に平行な方向に摺動させる駆動素子を含み、駆動素子によって導体部と絶縁部が配列する方向に摺動板を摺動させることによって、一方の摺動板から他方の摺動板に流れる電流を開閉するようにした事を特徴とする機械式電気スイッチ素子。
導体部の幅および絶縁部の幅が１μｍ以上であり１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の機械式電気スイッチ素子。
電流を流す接触部が不純物のドープされたダイヤモンドであり、電流を遮断する絶縁部がノンドープダイヤモンドである事を特徴とする請求項１又は２に記載の機械式電気スイッチ素子。
駆動素子が静電素子或いは圧電素子であり、２枚の摺動板が、上記静電素子あるいは圧電素子により摺動運動する事を特徴とする請求項１に記載の機械式電気スイッチ素子。
電流の流れを制御する絶縁部および導体部のダイヤモンドが気相合成法によって合成されている事を特徴とする請求項１に記載の機械式電気スイッチ素子。
炭素系あるいはシリコン系の油脂あるいは二硫化モリブデンを摺動板の摺動面に潤滑材として塗布することを特徴とする請求項１に記載の機械式電気スイッチ素子。
摺動板の駆動素子が、ＰＺＴの積層圧電素子で形成された圧電素子であることを特徴とする請求項４に記載の機械式電気スイッチ素子。
摺動板を相互に摺動運動させる駆動装置が熱伝導率の高い材料の上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の機械式電気スイッチ素子。
駆動装置を搭載すべき熱伝導率の高い材料がダイヤモンド或いは窒化アルミニウムでできている事を特徴とする請求項８に記載の機械式電気スイッチ素子。