(57)【要約】【課題】本発明は、応答時間が早く制御が簡単で電力消費の少ない小型の金属接点スイッチを提供することを目的としている。【解決手段】本発明の１実施態様による金属接点スイッチは、キャビティを形作る筐体と、キャビティ内の導電性スイッチング液体と、キャビティ内に位置しスイッチの少なくとも１つのスイッチング状態ではスイッチング液体と電気接触するスイッチ接点と、キャビティ内に位置しキャビティ内で動くことのできる導電性作動液体を有するローレンツアクチュエータとを備え、ローレンツアクチュエータはスイッチング液体に機械的に連結され、スイッチのスイッチング状態を変える。【選択図】図２Ｃ
2006040892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティを形作っている筐体と、
前記キャビティ内の導電性スイッチング液体と、
前記キャビティ内に位置し、少なくとも１つのスイッチング状態で前記スイッチング液体と電気接触するスイッチ接点と、
前記キャビティ内に位置し前記キャビティ内で移動できる導電性作動液体を備え、前記スイッチング液体と機械的に連結して前記スイッチのスイッチング状態を変えるローレンツアクチュエータとを有する金属接点スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
多くの電子デバイスは、電子信号、電圧、電流を制御する１つまたは複数のスイッチを含む。以下の説明を簡単にするために、電子信号、電圧、電流は集合的に信号と呼ぶ。多くの場合、トランジスタを使用して比較的低出力の低周波信号を切り替える。しかし、特に信号パワーが高い場合および／または信号周波数が高い場合、または、高い精度が必要な場合、トランジスタの代わりに金属接点を使用して信号を切り替えるほうが望ましい場合がしばしばある。これは、トランジスタは信号を変える、または、ゆがめる、劣化させる、または、信号パワーに限度を課す、開いた状態では漏れの可能性があり閉じた状態では信号を減衰させるなどの可能性があるためである。
【０００２】
リードリレーは従来の小型金属接点スイッチの一般的な例である。リードリレーは、磁気合金で作成されガラスエンベロープの中で不活性ガスと共に密閉された２つのリードを有する。エンベロープは電磁ドライバコイルに囲まれる。スイッチのオフ状態では、ドライバコイルを介した電流は流れず、リードはリードの先端の間のブレーク接点にバイアスされる。スイッチのオン状態では、コイルを介して流れる電流によりリードが互いに引きつけられ、移動して互いに接触する。これによりリード間の電気回路が確立される。
【０００３】
リードリレーは、比較的大きく耐用時間が比較的短いことが関係する問題を有する。たとえば第１の問題として、トランジスタと比較するとリードと磁気コイルのものは物理的に大きい。さらに、高いスイッチングレートが必要な場合、リードが大きく電磁気応答が比較的遅いため、リードリレーとしての性能は損なわれる。第２の問題として、リードは切り替わるときに曲がるため機械疲労の原因となり、長く使用するとリードの破損につながりうる。
【０００４】
いくつかの応用例では、リードの先端にロジウム（Ｒｈ）またはタングステン（Ｗ）の接点を付けるか、またはロジウム（Ｒｈ）または金（Ａｕ）でめっきすることで、スイッチングの間の高い電導率と、電気ア−クに耐える機能を提供する。しかし、これらの材料の接点は一般的には時間と共に劣化する。「ウェット」リレーと呼ばれるタイプのリードリレーは、従来のリードリレーより長い耐用年数を有する。ウェットリレーでは水銀（Ｈｇ）などの液体金属がリード間の電気接点を提供する。これは、接点障害の問題を解決するが、リードの機械疲労の問題は解決されないままである。
【０００５】
液体金属スイッチは、チャネル内に液体金属のスレッドと、チャネルの長さ方向に間隔をあけて配置されたスイッチ電極とを有する。液体金属スイッチは、本発明の譲受人に譲渡されたＫｏｎｄｏｈらの、米国特許第６，３２３，４４７号に記述されている。スイッチがオン状態の時には、液体金属がスイッチ電極を電気接続する。スイッチがオフ状態の時には、絶縁流体がスイッチ電極間のポイントで液体金属を分離する。絶縁流体は一般的には高純度窒素（Ｎ）、または別の不活性ガスである。
【０００６】
液体金属スイッチは、従来のリードリレーの問題の多くを解決する。液体金属スイッチは従来のリードリレーより実質的に小さい。さらに、液体金属スイッチはより長い耐用年数およびより高い信頼性を有する。最後に、液体金属スイッチは従来のウェハスケール製造法を使用して作成でき、したがって比較的安い。しかし、液体金属スイッチは絶縁流体を加熱することによって作動する。この作動方法は比較的遅く、制御が困難で、電力消費が比較的多い場合がある。
【０００７】
したがって、従来の熱作動式液体金属スイッチの欠点のない、小型の金属接点電気スイッチが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、応答時間が早く制御が簡単で電力消費の少ない小型の金属接点スイッチを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１実施態様による金属接点スイッチは、キャビティを形作る筐体と、キャビティ内の導電性スイッチング液体と、キャビティ内に位置しスイッチの少なくとも１つのスイッチング状態ではスイッチング液体と電気接触するスイッチ接点と、キャビティ内に位置しキャビティ内で動くことのできる導電性作動液体を有するローレンツアクチュエータとを備えている。ローレンツアクチュエータはスイッチング液体に機械的に連結され、スイッチのスイッチング状態を変える。
【００１０】
ローレンツアクチュエータは一般的には、上記の加熱された絶縁流体アクチュエータより速い応答時間を有し、消費電力は少なく、制御が簡単である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、液体金属スイッチを作動させるのに必要な原動力を生成するために、ローレンツアクチュエータが使用できるという発明者の認識に基づく。
【００１２】
図１は、ローレンツ力を示すために多くの科学博物館の展示に見られる液体金属ポンプ１０の等角図である。ポンプ１０はローレンツ力を使用して液体金属水銀を電磁気的に汲み上げている。ローレンツ力は、磁場に対して平行ではない方向に電流が流れると生成される。
【００１３】
ポンプ１０では、閉じたリザーバ２０が供給された水銀３０を保持している。リザーバは、ガラスなどの非導電性材料で作成されている。相対する電極６０と６２は、リザーバの壁を通って水銀と接触するまで延びている。ライザ管４０は、リザーバ２０の１つの端と、傾斜した開放チャネル２２の上端の間に延びている。戻り管４２は、チャネル２２の下端とリザーバ２０のもう一つの端の間に延びている。電源（図示せず）がワイヤ（図示せず）によって電極６０と６２に接続されて、電極間に位置する水銀３０の一部を介して流れる電流を提供している。水銀を介したｚ方向の電流を図１に示す。磁石（図示せず）は、矢印７０によって表される磁場を電極の近くでリザーバ全体に加える。磁場は、水銀を介した電流の方向に対して直角である＋ｙ方向を向いている。
【００１４】
ローレンツ力は、磁場を介して移動する帯電物体に及ぶ。電極６０と６２の間で電流を生じる水銀中の電子は帯電物質である。ローレンツ力の方向は、電場の方向と磁場の方向に対して互いに直交する。したがって、ローレンツ力は、リザーバ２０の長さに沿って示される−ｘ方向、すなわち、矢印の−ｘ方向に向いている。したがってローレンツ力は、リザーバ２０の長さに沿って−ｘ方向に水銀を流す。汲み上げられる水銀はライザ管４０を介して上昇し、チャネル２２に入る。水銀はチャネル２２を下って流れ、ここで流れが観察できる。水銀は戻り管４２を下って流れることによりエンクロージャ２０に戻る。
矢印５０は水銀の流れを示している。
【００１５】
図２Ａと図２Ｂはそれぞれ、本発明の第１の実施形態による金属接点電気スイッチ１００の平面図と側面図である。図２Ｃは、スイッチ１００の内部構造を示した、一部を切り取った平面図である。スイッチ１００では、ローレンツアクチュエータが推進力を生成し、これを使って、１対の電気スイッチ接点に対する導電性スイッチング液体の位置を制御している。ローレンツアクチュエータは、磁石が供給する磁場内にある導電性作動液体を通過する制御電流によって推進力を生成させる。制御電流は、相対する制御電極を介して作動液体に供給される。
【００１６】
スイッチ１００は筐体１１０を有し、筐体１１０はキャビティ１２０を画定し、キャビティ１２０の中に導電性スイッチング液体１３０が位置する。スイッチ接点１４０と１４１もキャビティ１２０の中に位置し、スイッチ１００のスイッチング状態のうち少なくとも１つでスイッチング液体１３０と電気接触する。導電性作動液体１５２を含みキャビティ１２０内に位置しキャビティ内で動くことができるローレンツアクチュエータ１５０は、スイッチング液体１３０と機械的に連結されてスイッチ１００のスイッチング状態を変える。
【００１７】
スイッチ１００では、キャビティ１２０が長い線形をしており、スイッチング部１２２と作動部１２４とを有している。スイッチ接点１４０と１４１は、キャビティ１２０のスイッチング部１２２内に位置している。ローレンツアクチュエータ１５０は、キャビティ１２０の作動部１２４に位置している導電性作動液体１５２、キャビティ１２０の作動部１２４に位置しスイッチ１００のスイッチング状態のうち少なくとも１つで作動液体１５２と電気接触する相対する制御電極１６０と１６２、キャビティ１２０の作動部１２４に隣接した位置にある磁場を与える磁石１７０とを備える。キャビティ１２０の作動部１２４、制御電極１６０と１６２、磁石１７０は、制御電極１６０と１６２の間の作動液体１５２を介した電流の方向、磁石１７０が作動液体１５２に加える磁場の方向、作動液体１５２がキャビティ１２０の作動部１２４内で動くことのできる方向が、互いに直交するように構成されている。
【００１８】
作動液体１５２は絶縁流体１５４を介してスイッチング液体１３０に連結されている。絶縁流体１５４はスイッチング液体１３０を、作動液体１５２から絶縁し、また制御電極１６０と１６２と作動液体１５２によって部分的に形成される電気回路から絶縁して、スイッチ接点１４０と１４１とを切り離している。スイッチ接点１４０と１４１とによって切り替えられる信号に変動するＤＣ電圧を加えることができる場合には、絶縁流体１５４を省略してもよい。このような実施形態では、導電性液体の一つの塊が作動液体１５２とスイッチング液体１３０とを構成している。スイッチング液体１３０、作動液体１５２、および設ける場合には絶縁流体１５４が集合的に可動要素１５８を構成している。
【００１９】
本明細書では、「導電性」という用語と「絶縁性」という用語は、相対的な意味で使用されている。「導電性」と記述される材料は、「絶縁性」と記述される材料よりも大きな導電性を有する。導電材と絶縁材の導電性の比は、スイッチを使用する用途に依存する。オフからオンへ大きな抵抗比を有するスイッチが必要な用途では大きな比が必要であり、オフからオンへの抵抗比が小さくてよいスイッチの用途ではより小さな比でよい。
【００２０】
磁石１７０は例として永久磁石にしてある。他の実施形態では、磁石１７０は電磁石である。磁石１７０の位置は図２Ｃの破線によって示されている。
【００２１】
図２Ａから図２Ｃに示す例では、キャビティ１２０のうち可動要素１５８がない部分の空気を抜いて、スイッチ１００のスイッチング状態が変わるとき、可動要素１５８がキャビティ１２０内のｘ方向でより自由に動くようにすることができる。他の実施形態では、キャビティ１２０はさらに、スイッチング部１２２の遠端と作動部１２４の遠端の間に伸びる均圧部を備える。スイッチング部１２２の遠端は、作動部１２４から離れたスイッチング部１２２の端であり、作動部１２４の遠端は、スイッチング部１２２から離れた作動部１２４の端である。均圧部により、スイッチ１００のスイッチング状態が変わったときに、キャビティ１２０のうち可動要素がない部分を満たす液体がスイッチング部１２２の遠端と作動部１２４の遠端の間を前後に流れることができ、可動要素１５８はキャビティ１２０内でｘ方向に自由に動くことができる。キャビティ１２０の均圧部については、後で図４Ｂを参照してより詳細に説明する。
【００２２】
図３Ａと図３Ｂは、図２Ｃのスイッチ１００の切断線３Ａ−３Ａに沿った、２つのスイッチング状態を示す断面図である。図３Ａと図３Ｂでは、磁石１７０がローレンツアクチュエータ１５０の作動液体１５２に加える磁場Ｂの方向を示している。図３Ａは、制御電極１６２と制御電極１６０（図２Ｃ）の間に制御電圧を印加した場合を示している。制御電圧によって、作動液体１５２を介して制御電極１６２から制御電極１６０まで＋ｙ方向に制御電流が流れる。制御電流と磁場Ｂの相互作用により、作動液体１５２に対して−ｘ方向の推進力Ｆが加わる。推進力Ｆは、キャビティ１２０の作動部１２４内で作動液体１５２を−ｘ方向に動かす。スイッチング液体１３０は絶縁流体１５４を介して作動液体１５２に連結している。したがって推進力Ｆは、スイッチング液体１３０、絶縁流体１５４、作動液体１５２からなる可動要素１５８を、キャビティ１２０のスイッチング部１２２の−ｘ方向で、スイッチング液体１３０がスイッチ接点１４０と１４１とを電気接続させる位置に動かす。
【００２３】
図３Ｂは、制御電極１６０と制御電極１６２との間に制御電圧を印加した場合を示している。制御電圧によって、制御電流が作動液体１５２を介して−ｙ方向に制御電極１６０から制御電極１６２まで流れる。制御電流と磁場Ｂの相互作用によって、推進力Ｆ’が＋ｘ方向に作動液体１５２へ加わる。推進力Ｆ’は、可動要素１５８をキャビティ１２０の中で＋ｘ方向に動かし、スイッチ接点１４０と１４１との間でスイッチング液体１３０が提供していた電気接続を切断する位置まで移動させる。
【００２４】
可動要素１５８がｘ方向に動く距離は、制御電圧の時間的な長さとキャビティ１２０内の可動要素のダイナミクスに依存する。制御電圧は、スイッチ接点１４０と１４１との接触及び切断を交互に行う距離だけ、スイッチング液体１３０が可動要素を動かすように時間を調整される。別法としては、可動要素が動く距離は、制御電極１６０と１６２の間またはその逆の間で通過する電荷の量によって定めることができる。可動要素１５８がキャビティ１２０内で移動する距離を定める他の方法を説明する。
【００２５】
図３Ａと図３Ｂに示すように、筐体１１０は、第１の基板１１２と第２の基板１１４を備えている。第２の基板１１４は第１の基板１１２に接着されている。第１の基板１１２と第２の基板１１４はそれぞれ、図４Ａと図４Ｂにより詳細に示す。
【００２６】
図４Ａは第１の基板１１２の平面図である。破線は、第１の基板上での第２の基板１１４の位置、および、第２の基板内でのキャビティ１２０の位置を示す。第１の基板１１２は平面状の主要な面１１３を有し（図３Ａにも示す）、この上にスイッチ接点１４０と１４１および制御電極１６０と１６２が位置する。
【００２７】
第２の基板１１４は、スイッチ１００内の第１の基板１１２の面１１３と並置されている平面状の主要な面１１５を有する。図４Ｂは、第２の基板１１４の主要な面１１５の図である。キャビティ１２０はスイッチング部１２２と作動部１２４を備え、基板１１４内に形作られている。図示された例では、作動部１２４の幅すなわちｙ方向の大きさはスイッチング部１２２の幅よりも大きい。従って、作動部１２４の断面積はスイッチング部１２２の断面積より大きい。別法として、スイッチング部１２２と作動部分１２４の幅と断面積のいずれかまたは両方を等しくできる。
【００２８】
基板１１２と１１４が組み立てられスイッチ１００を形成するとき、キャビティ１２０は基板１１４内にあるので、スイッチ接点１４０と１４１の各々の一部がキャビティ１２０のスイッチング部１２２の位置でスイッチング液体１３０と接触する位置になり、制御電極１６０と１６２の各々の一部がキャビティ１２０の作動部１２４の中で作動液体１５２と接触する位置になるように配置されることになる。
【００２９】
また図４Ｂは、キャビティ１２０のスイッチング部１２２の一部を占めるスイッチング液体１３０、スイッチング部１２２と作動部１２４の一部を占める作動液体１５２、スイッチング部１２２のスイッチング液体１３０が占める部分と作動液体１５２が占める部分の間の部分を占めている絶縁流体１５４とを示している。
【００３０】
また図４Ｂは、基板１１４内に形作られた前述のオプションの均圧部１２６をさらに有するキャビティ１２０の実施形態を示している。均圧部１２６は、スイッチング部１２２の遠端と作動部１２４の遠端の間に伸びている。キャビティ１２０のうち可動要素１５８によって占められていない部分は絶縁流体１５５で充填されている。均圧部１２６により、スイッチ１００の状態が変化したときに絶縁流体１５５がスイッチング部１２２の遠端と作動部１２４の遠端の間で前後に流れ、可動要素１５８全体の圧力を等しくしている。絶縁流体１５５の材料は絶縁流体１５４と同じであってもよいし異なっていてもよい。
【００３１】
キャビティ１２０の均圧部１２６の断面積と長さ、および、絶縁流体１５５の物理的な性質は、スイッチ１００のダイナミックなスイッチング特性に影響を与える。一部の実施形態では、スイッチ１００に特定のダイナミックなスイッチング特性を提供するように、均圧部１２６の大きさを決定し絶縁流体１５５を選択する。他の実施形態では、スイッチ１００のダイナミックなスイッチング特性にわずかな変化しか与えないように、均圧部１２６の大きさを決定し絶縁流体１５５を選択する。別法としては、均圧部１２６は少なくとも一部第１の基板１１２の中に形作られる（図４Ａ）。
【００３２】
スイッチ１００は単極単投接点、すなわち、オン−オフスイッチである。本発明によるスイッチの他の実施形態として、極と投を追加することができる。
【００３３】
図５Ａと図５Ｂは、一部を切り取った平面図で、本発明による金属接点スイッチの第２の実施形態２００の内部構造をそれぞれのスイッチング状態にして示している。スイッチ２００は単極双投接点、すなわち双方向スイッチである。スイッチ２００の要素のうち前述のスイッチ１００の要素に対応する要素は同じ参照数字によって示し、ここでは説明は繰り返さない。
【００３４】
スイッチ２００は、基板１１２の主要な面１１３の上に位置する第３のスイッチ接点１４２を有する。スイッチ接点１４２はキャビティ１２０のスイッチング部１２２の中に位置しここから伸び、スイッチ２００のスイッチング状態のうちの１つでスイッチング液体１３０と電気接触する。この実施形態では、スイッチ接点１４０、１４１、１４２は、スイッチング部１２２の長さに沿ってｘ方向に順番に配列されている。本開示では、キャビティ１２０などの要素に関連して長さという用語を使用する場合、要素のｘ方向の大きさを示す。スイッチ接点１４０、１４１、１４２は、公称で等しいピッチを有する。すなわち、スイッチ接点１４０、１４１、１４２はｘ方向に公称で等しい距離だけ離れている。しかし、等しいピッチから一定の偏差があっても、機能するスイッチを得ることができる。
【００３５】
図示された例では、スイッチ接点１４１はスイッチング部１２２に対してスイッチ接点１４０と１４２の反対側に位置している。すなわち、共通スイッチ接点１４１はスイッチング部１２２から＋ｙ方向に伸び、スイッチ接点１４０と１４２はスイッチング部１２２から−ｙ方向に伸びる。この構成により、共通スイッチ接点１４１とスイッチ接点１４０と１４２の間のキャパシタンスが低減される。他の実施形態では、スイッチ接点１４０、１４１、１４２はすべてスイッチング部１２２の同じ側に位置させる。すなわち、３つのスイッチ接点はすべて、スイッチング部１２２から同じ方向に伸びることになる。
【００３６】
双投スイッチングを提供するために、キャビティ１２０のスイッチング部１２２内のスイッチング液体１３０の長さは、スイッチ接点１４０と１４１の間の距離よりも長いが、スイッチ接点１４０と１４２の隣接する縁の間の距離よりも短い。図５Ａは、スイッチング液体１３０がスイッチ接点１４０と１４１とに接し、スイッチ接点１４２が絶縁流体１５４と接している、スイッチ２００の１つのスイッチング状態を示している。このスイッチング状態では、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４０とスイッチ接点１４１とを電気接触させ、スイッチ接点１４２は絶縁している。
【００３７】
図５Ｂは、制御電流が制御電極１６０から制御電極１６２へ流れて＋ｘ方向に推進力が生成された後のスイッチ２００を示している。推進力により作動液体１５２が＋ｘ方向に動き、作動液体はスイッチング液体１３０をスイッチ接点１４０、１４１、１４２のピッチとほぼ等しい距離だけ＋ｘ方向に動かしている。スイッチング液体１３０の動きにより、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４１と１４２とに接触している。このスイッチング状態では、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４２とスイッチ接点１４１とに電気接続し、スイッチ接点１４０は絶縁している。制御電流が制御電極１６２から制御電極１６０に流れることによって、スイッチ２００は図５Ａに示すスイッチング状態に戻る。
【００３８】
図５Ｃは、二極双投スイッチの実施形態２０２の内部構造を１つのスイッチング状態にして示した、一部を切り取った平面図である。スイッチ２０２は、図５Ａと図５Ｂを参照して前に説明した単極双投スイッチ２００に基づいている。スイッチ２０２の要素のうち図２Ａ、図２Ｂ、図５Ａ、図５Ｂを使って説明したスイッチの要素に対応している要素は同じ参照番号によって示し、ここでは説明を繰り返さない。
【００３９】
スイッチ２０２では、スイッチ接点２４０、２４１、２４２は、第１の基板２１２の主要な面２１３のｘ方向にスイッチ接点１４０、１４１、１４２の隣に配置されている。スイッチ接点２４０、２４１、２４２は、スイッチ接点１４０、１４１、１４２と同じピッチを有する。スイッチ接点２４２はスイッチ接点のピッチとは異なる距離だけスイッチ接点１４０から分離されている。別の実施形態では、スイッチ接点２４２はスイッチ接点のピッチと等しい距離だけスイッチ接点１４０から離されている。
【００４０】
第２の基板２１４の中には、図５Ａに示すキャビティ１２０と同様なキャビティ２２０が形作られている。キャビティ２２０はスイッチング部２２２と作動部２２４とを有している。スイッチング部２２２はキャビティ１２０のスイッチング部１２２（図５Ａ）に対して−ｘ方向に伸び、スイッチ接点１４０、１４１、１４２に追加してスイッチ接点２４０、２４１、２４２を収容している。スイッチング液体２３０と絶縁流体２５４は、スイッチング部２２２の中でスイッチング液体１３０と絶縁流体１５４とが縦に並んで配置されている。キャビティ２２０のスイッチング部２２２のスイッチング液体２３０の長さとスイッチング液体１３０の長さはほぼ等しい。スイッチング部２２２の絶縁流体２５４の長さは、スイッチ接点１４０と２４２の間の距離とほぼ等しい。
【００４１】
図５Ｃは、図５Ａに示すスイッチング状態に対応するスイッチング状態のうちの１つにおけるスイッチ２０２を示している。スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４０と１４１とに電気接触し、スイッチ接点１４２は絶縁流体１５４と接触し、スイッチング液体２３０はスイッチ接点２４０と２４１とに電気接触し、スイッチ接点２４２は絶縁流体２５４と接触している。このスイッチング状態では、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４０とスイッチ接点１４１を電気接触させ、スイッチ接点１４２を絶縁させ、スイッチング液体２３０はスイッチ接点２４０をスイッチ接点２４１を電気接続させ、スイッチ接点２４２は絶縁させている。
【００４２】
図５Ｂのスイッチング状態に対応したスイッチ２０２のスイッチング状態（図示せず）では、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４１と１４２とに接触し、スイッチ接点１４０は絶縁流体２５４と接触し、スイッチング液体２３０はスイッチ接点２４１と２４２と接触し、スイッチ接点２４０は絶縁されている。このスイッチング状態では、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４１をスイッチ接点１４２に電気接続し、スイッチ接点１４０は絶縁され、スイッチング液体２３０はスイッチ接点２４１をスイッチ接点２４２に電気接続し、スイッチ接点２４０を絶縁している。
【００４３】
図６Ａと図６Ｂは、本発明による金属接点スイッチの第３の実施形態３００の内部構造を各スイッチング状態にして示している、一部を切り取った平面図である。スイッチ３００は二極双投スイッチである。スイッチ３００の要素のうち前述のスイッチ要素に対応する要素は同じ参照番号で示し、ここでは説明は繰り返さない。
【００４４】
第２の基板３１４には、スイッチング部１２２、作動部３２４、スイッチング部３２２とがｘ方向に並んで配置されているキャビティ３２０が形作られている。スイッチング部１２２には作動液１５２の一部、絶縁流体１５４、スイッチング液体１３０が入っており、この構成は、図２Ａから図２Ｃを参照して説明した、キャビティ１２０のスイッチング部１２２の作動液体１５２、絶縁流体１５４、スイッチング液体１３０の構成と同様である。作動液体１５２はさらに、キャビティ３２０の作動部３２４と、スイッチング部３２２の一部を満たす。スイッチング部３２２はさらに、スイッチング部３２２の絶縁流体１５４とスイッチング液体１３０の構成と対称となる（鏡像）構成で並んで配置された絶縁流体３５４とスイッチング液体３３０を収容する。
【００４５】
スイッチ３００は、基板３１２の主要な面３１３上に位置する３つのスイッチ接点１４０、１４１、１４２を備えている。スイッチ接点１４０、１４１、１４２は図５Ａを参照して説明した方法と同様な方法で、キャビティ３２０のスイッチング部１２２に位置しここから伸びている。スイッチ３００はさらに、基板３１２の主要な面３１３の上に配置された３つのスイッチ接点３４０、３４１、３４２を有する。スイッチ接点３４０、３４１、３４２は、キャビティ３２０のスイッチング部３２２に位置しここから伸びている。スイッチ接点３４０、３４１、３４２は、スイッチング部３２２の長さに沿って−ｘ方向に順番に配置されている。前述のように、スイッチ接点３４０、３４１、３４２は公称で等しいピッチを有するが、等しいピッチからいくらか偏差していても機能するスイッチを得ることができる。すべてのスイッチ接点１４０から１４２、３４０から３４２は同じピッチを有している。図示された例では、スイッチ接点３４１はスイッチング部３２２からスイッチ接点３４０と３４２とに対して反対方向に伸びているが、別法としては、スイッチ接点３４１はスイッチング部３２２からスイッチ接点３４０や３４２と同じ方向に伸びてもよい。
【００４６】
前述のように、キャビティ３２０のスイッチング部１２２のスイッチング液体１３０の長さはスイッチ接点１４０と１４１の間の距離より長いが、スイッチ接点１４０と１４２の隣接している縁の間の距離よりも短い。スイッチング部３２２のスイッチング液体３３０の長さは、スイッチ接点３４０と３４１の間の距離よりも長いが、スイッチ接点３４０と３４２の隣接している縁の間の距離よりも短い。
【００４７】
図６Ａは、スイッチング液体１３０がスイッチ接点１４０と１４１と接触し、スイッチ接点１４２が絶縁流体１５４と接触し、スイッチング液体３３０がスイッチ接点３４０と３４１と接触し、スイッチ接点３４２が絶縁されている、スイッチ３００の１つのスイッチング状態を示している。したがって、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４０をスイッチ接点１４１に電気接続し、スイッチ接点１４２は絶縁され、スイッチング液体３３０はスイッチ接点３４０をスイッチ接点３４１に電気接続し、スイッチ接点３４２は絶縁されている。
【００４８】
図６Ｂは、制御電流が制御電極１６０から制御電極１６２に流れて推進力を生成し、アクチュエータ液体１５２を＋ｘ方向に移動させた後のスイッチ３００を示している。＋ｘ方向に動くアクチュエータ液体は、スイッチング液体１３０、絶縁流体１５４、作動液体１５２、絶縁流体３５４、スイッチング液体３３０を含む可動要素３５８を＋ｘ方向に動かす。スイッチング液体１３０とスイッチング液体３３０は、スイッチ接点のピッチと等しい距離を移動している。可動要素３５８の移動により、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４１と１４２に接触し、スイッチング液体３３０はスイッチ接点３４１と３４２に接触し、絶縁流体３５４はスイッチ接点３４０と接触する。したがって、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４１をスイッチ接点１４２に電気接続し、スイッチ接点１４０は絶縁され、スイッチング液体３３０はスイッチ接点３４１をスイッチ接点３４２に電気接続させ、スイッチ接点３４０は絶縁されている。
【００４９】
二極単投スイッチは、図６Ａと図６Ｂに示される実施形態において、スイッチ接点１４０またはスイッチ接点１４２を省略し、また、スイッチ接点３４０またはスイッチ接点３４２を省略することにより作成することができる。省略されたスイッチ接点の性質、アイデンティティにより、スイッチの極が同時にオン（またはオフ）になるか交互にオン（またはオフ）になるかが決定される。同様に、二極単投スイッチは図５Ｃに示される実施形態において、スイッチ接点１４０またはスイッチ接点１４２を省略し、スイッチ接点２４０またはスイッチ接点２４２を省略することにより作成することができる。省略されたスイッチ接点のアイデンティティにより、スイッチの極が同時にオン（またはオフ）になるか交互にオン（またはオフ）になるかが決定される。
【００５０】
図７Ａは本発明による金属接点スイッチの第４の実施形態４００の内部構造を１つのスイッチング状態にして示した、一部を切り取った平面図である。スイッチ４００の要素のうち前述したスイッチの要素に対応する要素は同じ参照数字によって示し、ここでは説明を繰り返さない。スイッチ４００は単極単投スイッチであり、ローレンツアクチュエータ４５０はキャビティ１２０の作動部１２４の作動液１５２の移動を定めるように構成されている。作動液体１５２の定められた移動は、キャビティ１２０のスイッチング部１２２のスイッチング液体１３０の、スイッチ接点１４０と１４１に対する移動を定めている。本明細書に説明されている他のスイッチ実施形態も同様に修正して、中の作動液体の移動が定められたローレンツアクチュエータを組み込むことができる。
【００５１】
スイッチ４００では、制御電極１６０、４６２、４６４はキャビティ１２０の作動部１２４に位置する。制御電極１６０は作動部１２４の片側に位置し、図示された実施形態ではｘ方向に長く伸びている。制御電極４６２、４６４は、作動部１２４に対し制御電極１６０の反対側に位置し、ｘ方向には互いに分離し、ｙ方向には制御電極１６０から分離されている。制御電極４６２、４６４は各々、制御電極１６０より長さが短い。別法としては、制御電極１６０を適切に配置して、電極１６０、４６２、４６４のすべてを、ほぼ等しい長さになるようにしてもよい。
【００５２】
作動液体１５２は、キャビティ１２０の作動部１２４の長さの一部を占めている。絶縁流体１５４は、作動液体１５２とスイッチング液体１３０の間にあって、キャビティ１２０の作動部１２４の一部とスイッチング部１２２の一部を占めている。
【００５３】
スイッチング液体１３０の所望の移動をｔ1によって示し、キャビティ１２０のスイッチング部１２２の断面積をＡ1によって示し、キャビティ１２０の作動部１２４の断面積をＡ2によって示す。スイッチング液体１３０をｔ1の距離だけ移動させるためには、作動液体１５２の移動ｔ2はｔ2＝ｔ1×Ａ1／Ａ2でなければならない。作動部１２４の作動液体１５２の長さｌと制御電極４６２と４６４の隣接している縁の間の距離ｄの差により、作動液体１５２の移動ｔ2が定義される。すなわち、ｔ2＝ｌ−ｄである。したがって、作動液体１５２の長さｌと制御電極４６２と４６４の隣接している縁の間の距離ｄは次式によって与えられる。
【００５４】
ｌ−ｄ＝ｔ1×Ａ1／Ａ2
【００５５】
図７Ａは、スイッチング液体１３０がスイッチ接点１４０と１４１とに電気接続し、作動液体１５２が制御電極４６２と制御電極１６０とに電気接触しているが、制御電極４６４とは電気接触していない、例えば初期のスイッチング状態であるスイッチ４００を示している。
【００５６】
図８Ａから図８Ｄは、図７Ａに示す例としての初期のスイッチング状態で始まったスイッチ４００の動作を示しめしている。図７Ａに示す初期のスイッチング状態からスイッチ４００のスイッチング状態を変えるには、図８Ａに示すように、制御電極１６０（公称ではアース）と制御電極４６２の間に負の制御電圧を印加する。この結果矢４８０で表わされる制御電流は、制御電極１６０から制御電極４６２まで−ｙ方角に流れる。制御電流４８０と磁場Ｂ（図３Ａを参照）は、矢４８１が表す＋ｘ方向の推進力を生成する。推進力４８１は作動液体１５２を＋ｘ方向に動かし、したがって、作動液体１５２、絶縁流体１５４、スイッチング液体１３０を含む可動要素１５８を＋ｘ方向に動かす。この動きの結果作動液体１５２は動いて制御電極４６４と接触し、スイッチング液体１３０は移動してスイッチ接点１４０から離れる。スイッチング液体１３０とスイッチ接点１４０の間の接触がなくなるため、スイッチ接点１４０と１４１の間の電気回路は切断される。
【００５７】
図８Ｂに示すように、推進力４８１に応答して作動液体１５２がｘ方向へさらに動くと、作動液体は制御電極４６２との接触を切断する。これにより作動液体を介した制御電流の流れが停止し、この結果、ローレンツアクチュエータ４５０は推進力を生成しなくなる。推進力が加わらなくなるので、可動要素１５８は減速して停止し、作動液体１５２は制御電極１６０と４６４と接触し、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４１だけと接触する。ついで、制御電圧が制御電極４６２から除去される。
【００５８】
スイッチ４００は、図８Ｃに示すように制御電極１６０（公称ではアース）と制御電極４６４の間に正の制御電圧が印加されるまで、図８Ｂに示すスイッチング状態にとどまる。矢４８２で表わされる制御電流は、制御電極４６４から制御電極１６０まで＋ｙ方向に流れる。
制御電流４８２と磁場Ｂ（図３Ａを参照）は、矢４８３で表わされる−ｘ方向の推進力を生成する。推進力４８３は作動液体１５２を−ｘ方向に移動させ、したがって可動要素１５８を−ｘ方向に移動させる。この動きの結果、作動液体１５２は戻って制御電極４６２と接触し、スイッチング液体１３０は動いてスイッチ接点１４０と接触する。スイッチング液体１３０とスイッチ接点１４０の接触により、スイッチ接点１４０と１４１の間の電気回路が再確立される。
【００５９】
図８Ｄに示すように、推進力４８３に応答して作動液体１５２が−ｘ方向へさらに動くと、作動液体は制御電極４６４との接触を切断する。これにより作動液体を介した制御電流の流れが停止し、この結果、ローレンツアクチュエータ４５０は推進力を生成しなくなる。推進力が加わらなくなるので、可動要素１５８は減速して停止し、作動液体は制御電極１６０と４６２と接触し、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４０とスイッチ接点１４１と接触する。ついで、制御電極１６０から制御電圧が除去される。スイッチ４００は図７Ａに示す例としての初期のスイッチング状態に戻っている。
【００６０】
図７Ｂは、バイポーラ制御電圧の必要性がなくなっている、図７Ａに示すスイッチ４００の変形例４０２について、一部を切り取った平面図である。図７Ｂに示す実施形態では、制御電極１６０は、作動部１２４の中で制御電極４６２の反対側の配置された制御電極４６０と、作動部１２４の中で制御電極４６４の反対側の配置された制御電極４６６とに置き換えられている。制御電極４６０と４６６は、一般的にはそれぞれ制御電極４６２と４６４に対称（鏡像）である。
【００６１】
動作においては、制御電圧は制御電極４６２（公称ではアース）と制御電極４６０（高）の間に印加され、＋ｘ方向の推進力を生成し、スイッチ４０２を図７Ｂに示すスイッチング状態から図８Ｂに示すスイッチング状態と同様なスイッチング状態に変える。このスイッチング状態では、作動液体の１５２の＋ｘ方向の動きにより、図７Ｂに示す制御電極４６０と４６２の間の電気回路が切断され、制御電極４６４と４６６の間の電気回路が確立される。制御電圧を制御電極４６６（公称でアース）と制御電極４６４（高い）の間に印加して−ｘ方向の推進力を生成することによって、スイッチ４０２は図７Ｂに示すスイッチング状態に戻る。作動液体の−ｘ方向の動きにより、制御電極４６０と４６２の間の電気回路が再確立され、制御電極４６４と４６６の間の電気回路が切断される。
【００６２】
図９Ａと図９Ｂは、本発明による金属接点スイッチの第５の実施形態５００の内部構造を各スイッチング状態にして示した、一部を切り取った平面図である。スイッチ５００は円環状のキャビティを有する。図９Ｃは、図９Ａの切断線９Ｃ−９Ｃに沿った断面図である。図９Ｄと図９Ｅはそれぞれ、スイッチ５００の第１の基板と第２の基板の平面図である。図示されたスイッチ５００の例は二極双投スイッチである。他の例は、異なる数の極および／または投を有する。スイッチ５００の要素のうち図２Ａ、図２Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂを参照して前述したスイッチの要素に対応する要素は同じ参照数字によって示し、ここでは説明を繰り返さない。
【００６３】
スイッチ５００は、円環状のキャビティ５２０を形作る筐体５１０と、キャビティ５２０内に位置する導電性スイッチング液体１３０と、キャビティ５２０内に位置しスイッチ５００のスイッチング状態のうち少なくとも１つの状態でスイッチング液体１３０と電気接触するスイッチ接点１４０、１４１、１４２と、スイッチング液体１３０に機械的に連結されスイッチのスイッチング状態を変えるローレンツアクチュエータ５５０とを備えている。スイッチング液体１３０は、キャビティ５２０のスイッチング部５２２に位置する。また、スイッチ５００は、キャビティ５２０のスイッチング部５２６に位置する導電性スイッチング液体５３０と、キャビティ５２０のスイッチング部５２６に位置しスイッチ５００のスイッチング状態のうち少なくとも１つの状態でスイッチング液体５３０と電気接触するスイッチ接点５４０、５４１、５４２とを有している。
【００６４】
ローレンツアクチュエータ５５０は、キャビティ５２０の作動部５２４に位置する導電性作動液体１５２、キャビティ５２０の作動部５２４に位置し作動液体１５２と電気接触する制御電極５６０と５６２、キャビティ５２０の作動部５２４に隣接した位置にある磁石１７０を備える。キャビティ５２０の作動部５２４、制御電極５６０と５６２、磁石１７０は、制御電極５６０と５６２の間で作動液体１５２を介した電流の方向と、磁石１７０が作動液体１５２に加える磁場の方向と、その結果としてキャビティ５２０内の作動液体１５２の動きの方向が相互に直交するように構成されている。
【００６５】
図示されたローレンツアクチュエータ５５０の例では、制御電極５６０と５６２は、スイッチ５００のスイッチング状態のうちの１つで作動液体１５２と電気接触する。さらにローレンツアクチュエータ５５０は、キャビティ５２０の作動部５２４に位置し、スイッチ５００の他のスイッチング状態で作動液体１５２と電気接触する、相対する制御電極５６４と５６６を有する。制御電極５６４と５６６は制御電極５６０と５６２と共に、キャビティ５２０の作動液体１５２の移動を定め、したがって、スイッチング液体部分１３０と５３０の移動を定める。この方法は図７Ｂに関して説明した方法と同様である。
【００６６】
絶縁流体部分１５４と５５４は、ローレンツアクチュエータ５５０の作動液体１５２をスイッチング液体１３０とスイッチング液体５３０にそれぞれ機械的に連結している。さらに、絶縁流体部分５５６は、スイッチング液体１３０をスイッチング液体５３０に機械的に連結している。
【００６７】
図９Ａから図９Ｃに示すスイッチ５００の例では、筐体５１０は、第１の基板５１２と、第１の基板５１２に接着された第２の基板５１４とを備えている。図９Ｅは、第１の基板５１２に面する第２の基板５１４の主要な面５１５を示している。円環状のキャビティ５２０は、主要な面５１５から第２の基板５１４の中へ伸びている。さらに図９Ｅには、キャビティ５２０のスイッチング部５２２、作動部５２４、スイッチング部５２６を示している。スイッチング部５２２、作動部５２４、スイッチング部５２６は、縦に配列されている。示された例においては、スイッチング部５２２、作動部５２４、スイッチング部５２６は、キャビティ５２０の円周部の単なる領域であり、それぞれの構造は同じである。他の実施形態では、スイッチング部５２２、作動部５２４、スイッチング部５２６は、互いに異なる構造である。例えば、１実施形態では、作動部５２４の断面積は、スイッチング部５２２や５２６の断面積と異なっている。別の実施形態では、スイッチング部５２２、作動部５２４、スイッチング部５２６の間のキャビティ５２０の部分のうち１つまたは複数の断面積が、スイッチング部５２２、作動部５２４、スイッチング部５２６の断面積と異なり、スイッチ５００に特定のダイナミックなスイッチング特性を与えている。
【００６８】
また図９Ｅは、キャビティ５２０のスイッチング部５２２、作動部５２４、スイッチング部５２６にそれぞれ位置する、スイッチング液体１３０、作動液体１５２、スイッチング液体５３０、および、キャビティ５２０の、スイッチング液体１３０、作動液体１５２、スイッチング液体５３０によって占められていない部分を占める絶縁流体部分１５４、５５６、５５４を示す。
【００６９】
図９Ｄは、第２の基板５１４に面する第１の基板５１２の主要な面５１３を示す。図９Ｄでは、第２の基板５１４の第１の基板５１２上の位置、および第２の基板内の円環状のキャビティ５２０の位置は破線で示す。主要な面５１３の上には、３つのスイッチ接点１４０、１４１、１４２が位置し、キャビティ５２０のスイッチング部５２２に位置してここから放射状に伸びている。さらに、３つのスイッチ接点５４０、５４１、５４２は、主要な面５１３の上に位置し、スイッチ接点１４０、１４１、１４２から時計方向で円周上にオフセットされている。スイッチ接点５４０から５４２は、キャビティ５２０のスイッチング部５２６に位置しここから放射状に伸びている。スイッチ接点１４０から１４２はスイッチング部５２２に沿って逆時計方向の順序で円周上に配置され、スイッチ接点５４０から５４２は、スイッチング部５２６に沿って逆時計方向の順序で円周上に配置されている。スイッチ接点１４０から１４２は公称で等間隔の角度分離を有するが、等間隔からいくらかの偏差があっても機能するスイッチが得られる。スイッチ接点５４０から５４２は、スイッチ接点１４０から１４２の角度分離と等しい角度分離を有するが、等しい角度分離からいくらか偏差があっても機能するスイッチを得ることができる。
【００７０】
さらに図９Ａから図９Ｂを参照すると、キャビティ５２０のスイッチング部５２２のスイッチング液体１３０の両端間の円周上の距離は、スイッチ接点１４０と１４１の間の円周上の距離より大きいが、スイッチ接点１４０と１４２の隣接する縁間の円周上の距離よりも小さい。スイッチング部５２６のスイッチング液体５３０の両端間の円周上の距離は、スイッチ接点５４０と５４１の間の円周上の距離よりも大きいが、スイッチ接点５４０と５４２の隣接する縁の円周上の距離よりも小さい。
【００７１】
制御電極５６０、５６２、５６４、５６６も、第１の基板５１２の主要な面５１３上に位置する。制御電極５６０と５６２は互いに、キャビティ５２０の作動部５２４に対し放射状の相対する位置にあり、それぞれ、作動部から外向きと内向きに伸びる。制御電極５６６と５６４はキャビティ５２０の作動部５２４の相対する側で互いに放射状の相対する位置にあり、それぞれ制御電極５６０と５６２から逆時計方向で円周上でオフセットされ、作動部からそれぞれ外向きと内向きに放射状に伸びる。
【００７２】
ローレンツアクチュエータ５５０の作動液体１５２が円環状キャビティ５２０の中心５２８を中心として回転する角度は、作動液体１５２が中心５２８に対して張っている角度と、制御電極５６２と５６４の隣接する縁が中心５２８に対して張っている角度の差によって得られる。
【００７３】
図９Ａは、スイッチング液体１３０がスイッチ接点１４０と１４１とに電気接触し、スイッチ接点１４２が絶縁流体１５４と接触し、スイッチング液体５３０がスイッチ接点５４０と５４１とに電気接触し、スイッチ接点５４２が絶縁流体５５６と接触している、スイッチ５００のスイッチング状態の１つを示している。したがって、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４０をスイッチ接点１４１に電気接続し、スイッチ接点１４２は絶縁され、スイッチング液体５３０はスイッチ接点５４０をスイッチ接点５４１に電気接続し、スイッチ接点５４２は絶縁される。さらに、制御電極５６０と５６２は作動液体１５２と電気接触しているが、制御電極５６４と５６６は絶縁流体５５４と接触している。
【００７４】
図９Ｂは制御電極５６０と制御電極５６２の間に制御電圧が印加された後のスイッチ５００を示す。作動液体１５２を介した制御液体の流れにより推進力が生成され、作動液体１５２と制御電極５６０と５６２の間の電気接触が切断されるまで作動液体１５２を時計方向に動かす。作動液体１５２の逆時計方向の動きにより、作動液体１５２、絶縁流体１５４、スイッチング液体１３０、絶縁流体５５６、スイッチング液体５３０、絶縁流体５５４を含む可動要素５５８が、スイッチ接点の角度ピッチとほぼ等しい角度だけ、中心５２８を中心として逆時計方向に移動する。可動要素５５８の動きにより、絶縁流体５５６はスイッチ接点１４０と接触し、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４１と１４２と接触し、絶縁流体５５４はスイッチ接点５４０と接触し、スイッチング液体５３０はスイッチ接点５４１と５４２とに接触する。したがって、スイッチ接点１４０は絶縁され、スイッチング液体１３０はスイッチ接点１４１をスイッチ接点１４２に電気接続させ、スイッチ接点５４０は絶縁され、スイッチング液体５３０はスイッチ接点５４１をスイッチ接点５４２に電気接続する。最後に、作動液体１５２の逆時計方向の動きにより、作動液体１５２は制御電極５６４と５６６とに接触する。
【００７５】
スイッチ５００が図９Ａに示すスイッチング状態に戻るために、制御電圧が制御電極５６４と５６６に印加される。その結果、作動液体１５２を介して流れる制御電流により推進力が生成され、作動液体１５２と制御電極５６４と５６６との間の電気接触が切断されるまで、作動液体１５２は時計方向に動く。作動液体１５２の時計方向の動きにより、可動要素５５８は、スイッチ接点の角度ピッチとほぼ等しい角度だけ中心５２８を中心として時計方向に動く。これにより、スイッチ５００は図９Ａを参照して説明したスイッチング状態に回復する。
【００７６】
二極単投スイッチは、図９Ａと図９Ｂに示す二極双投スイッチの例において、スイッチ接点１４０またはスイッチ接点１４２を省略し、スイッチ接点５４０またはスイッチ接点５４２を省略することによって作成することができる。省略されたスイッチ接点のアイデンティティにより、スイッチの極が同時にオン（またはオフ）になるかまたは交互にオン（またはオフ）になるかどうかが決まる。
【００７７】
キャビティ５２０内のスイッチング液体の部分の数を増やすことによって、図９Ａと図９Ｂを参照して説明したスイッチ５００に、より多くの極を組み込むことができる。スイッチング液体の部分は互いに円周上に間隔をあけて、また、スイッチング液体１３０、スイッチング液体５３０、作動液体１５２からも円周上に間隔をあけて配置される。絶縁流体の部分は、キャビティ５２０のうちスイッチング液体部分と作動液体が占めていない部分を満たしている。スイッチ接点の別の組は、第１の基板５１２の主な面５１３上の、追加のスイッチング液体部分に対応する位置に配置される。
【００７８】
図１０Ａと図１０Ｂは、本発明による金属接点スイッチの第６の実施形態６００の内部構造を示す、一部を切り取った平面図である。スイッチ６００では、ローレンツアクチュエータを使用し、スイッチ接点の組に対する導電性スイッチング液体を電気的に連続して制御している。この実施形態においては、スイッチ接点はスイッチング液体と連続的に電気接触している。ローレンツアクチュエータは、磁場内に位置する導電性作動液体を介して制御電流を通過させることにより作動力を生成する。制御電流は相対する制御電極を介して作動液体に供給される。
【００７９】
スイッチ６００は、キャビティ６２０を形作る筐体６１０と、キャビティ６２０内に位置する導電性スイッチング液体１３０と、キャビティ６２０内に位置しスイッチ６００の両方のスイッチング状態でスイッチング液体１３０と電気接触するスイッチ接点１４０、１４１、１４２と、スイッチング液体１３０に機械的に連結しスイッチのスイッチング状態を変えるローレンツアクチュエータ６５０とを備えている。
【００８０】
キャビティ６２０は、スイッチング部６２２、作動部６２４、結合部６２６と６２８を備えている。作動部６２４は実質的にスイッチング部６２２に対して平行であり、ｙ方向でスイッチング部６２２からオフセットしている。結合部６２６と６２８は、作動部６２４の相対する端からスイッチング部６２２に伸び、スイッチング部の長さ方向の互いにオフセットしたポイントでスイッチング部６２２と結合している。
【００８１】
スイッチング液体１３０は、キャビティ６２０のスイッチング部６２２の大部分を占めている。作動液体１５２は、作動部６２４、結合部６２６の一部、結合部６２８の一部を占めている。絶縁流体１５４は結合部６２６の残りを占め、図１０Ａに示すスイッチング状態では、スイッチング部６２２の残りを占めている。絶縁流体６５４は結合部６２８の残りを占めている。
【００８２】
スイッチ接点１４０、１４１、１４２は、キャビティ６２０のスイッチング部６２２に位置しそこから伸びている。スイッチ接点１４０、１４１、１４２はスイッチング部６２２の長さに沿ってｘ方向に配列され、間に結合部６２６と６２８が配置されている。スイッチ接点１４１は結合部６２６と６２８の間に位置し、スイッチ接点１４０は結合部６２６に対しスイッチ接点１４１の反対側のスイッチング部６２２に位置し、スイッチ接点１４２は結合部６２８に対しスイッチ接点１４１の反対側のスイッチング部６２２に位置している。
【００８３】
ローレンツアクチュエータ６５０は、キャビティ６２０の作動部６２４に位置する導電性作動液体１５２、作動部６２４に位置して作動部６２４から伸び作動液体１５２と電気接触している相対する制御電極１６０と１６２、作動部６２４に隣接した位置にある磁石１７０を含んでいる。作動部６２４、制御電極１６０と１６２、磁石１７０は、制御電極１６０と１６２の間の作動液体１５２を介した電流の方向、磁石１７０が作動液体１５２に加える磁場の方向、その結果生じる作動部６２４の作動液体１５２の動きの方向が相互に直交するように構成されている。
【００８４】
図１０Ａに示すスイッチ６００のスイッチング状態では、絶縁流体１５４は結合部６２６の一部に加えてキャビティ６２０のスイッチング部６２２の一部を占めている。スイッチング部６２２の一部を占める絶縁流体１５４は、スイッチング液体１３０を、スイッチ接点１４０とだけ電気接触するスイッチング液体部分６３２と、スイッチ接点１４１と１４２と電気接触するスイッチング液体部分６３４とに分割している。したがって、スイッチング液体部分６３４はスイッチ接点１４１と１４２とを電気接続しているが、絶縁流体１５４はスイッチ接点１４０を他の２つのスイッチ接点から絶縁している。
【００８５】
図１０Ｂは、制御電極１６０と制御電極１６２の間に制御電圧を印加した後のスイッチ６００のスイッチング状態を示している。制御電圧印加の結果生じる、作動液体１５２を介して通過する制御電流と、磁石１７０が生成する磁場の間の相互作用から推進力が生成され、作動液体１５２を＋ｘ方向に動かす。作動液体１５２の＋ｘ方向の動きにより、絶縁流体６５４はキャビティ６２０の結合部６２８を介してスイッチング部６２２に入っていく。そこで、絶縁流体６５４はスイッチング液体部分６３４を、スイッチ接点１４２とだけ電気接触を維持するスイッチング液体部分６３６と、キャビティ６２０のスイッチング部６２２で−ｘ方向に移動するスイッチング液体部分とに分割する。移動するスイッチング液体部分は絶縁流体１５４をスイッチング部から追い出し、これによって、スイッチング液体部分が移動してスイッチング液体部分６３２と結合し、スイッチング液体部分６３８を形成する。スイッチング液体部分６３８はスイッチ接点１４０と１４１とに電気接触している。したがって、スイッチング液体部分６３８はスイッチ接点１４０と１４１とを電気接続するが、絶縁流体６５４はスイッチ接点１４２と他の２つのスイッチ接点を絶縁させる。
【００８６】
スイッチ６００を図１０Ａに示すスイッチング状態に回復するためには、制御電圧を制御電極１６２と制御電極１６０の間に印加する。その結果生じる作動液体１５２を介して通過する制御電流と磁石１７０が生成する磁場の相互作用で生成される推進力により、作動液体１５２は−ｘ方向に移動する。作動液体１５２の−ｘ方向への移動により、絶縁流体１５４はキャビティ６２０の結合部６２６を介してスイッチング部分６２２の中に入る。そこで前述のように、絶縁流体１５４はスイッチング液体部分６３８を、スイッチ接点１４２とだけ電気接触を保っているスイッチング液体部分６３２と、キャビティ６２０のスイッチング部６２２の中で＋ｘ方向に移動するスイッチング液体部分とに分割する。移動するスイッチング液体部分は絶縁液体６５４をスイッチング部から押し出し、これによって前述のように、移動するスイッチング液体部分がスイッチング液体６３６と結合し、スイッチング液体部分６３４が再形成される。
【００８７】
スイッチ６００の二極バ−ジョン（図示せず）では、キャビティ６２０は追加のスイッチング部を有し、スイッチ接点は前述のスイッチング部６２２の配列と同様に長さ方向に配列される。スイッチ接点は、作動部６２４の両端に伸びる２つの追加の結合部分の間に配置される。
【００８８】
前述した金属接点スイッチ実施形態のスイッチング状態は準安定である。たとえば図２Ａから図２Ｃを参照すると、制御電流がローレンツアクチュエータ１５０の制御電極１６０と１６２の間で流れなくなると、スイッチング液体１３０、絶縁流体１５４、作動液体１５２を含む可動要素１５８はキャビティ１２０の中で動きを止め、制御電流が再び流れるまで、動いた位置にとどまる。しかし機械的なショックまたは振動などの外部からの刺激により、可動要素１５８はキャビティ内で動く可能性がある。可動要素が十分に動いた場合、スイッチのスイッチング状態の望ましくない変化という結果を招く可能性がある。
【００８９】
図１１Ａと図１１Ｂは、キャビティの構造を修正しスイッチのスイッチング状態の安定性を増加した、スイッチの第７の実施形態７００の一部を示す、一部を切り取った拡大平面図である。キャビティの修正された構造により、機械的なショックまたは振動などの外部の刺激によってキャビティ内の可動要素が動き、スイッチのスイッチング状態が変わることが低減される。修正されたキャビティ構造は、図５Ａと図５Ｂに示す構造と同様な単極二投スイッチのキャビティを参照して次に説明する。ここに記述されているスイッチの他の実施形態のキャビティも、同様に修正することができる。図１１Ａと図１１Ｂに示すスイッチの要素のうち前記のスイッチと同様な要素は同じ参照数字を使用して示し、ここでは詳細な説明は繰り返さない。
【００９０】
図１１Ａと図１１Ｂは、スイッチ７００のキャビティ７２０のスイッチング部７２２を示している。図面を簡単にするためにスイッチ７００の残りは示さないが、図５Ａと図５Ｂを参照して説明したスイッチ２００と同様である。スイッチ接点１４０、１４１、１４２は、キャビティ７２０のスイッチング部７２２に位置しそこから伸びている。スイッチ接点１４０、１４１、１４２は、前記と同じようにスイッチング部７２２の長さに沿ってｘ方向に配列されている。図面を簡単にするために、スイッチ接点１４０、１４１、１４２のうちスイッチング部７２２の中にあって直接隣接している部分だけを示す。
【００９１】
スイッチング部７２２は、長さに沿ってｘ方向に配列された狭窄部７８０、７８１、７８２、７８３を有している。狭窄部７８０から７８３はスイッチ接点１４０から１４２の間に交互に挟まれて配置されている。狭窄部７８０から７８３の各々の中では、スイッチング部７２２の断面積はスイッチング部７２２の残りの断面積より小さい。たとえばスイッチ接点１４０が中に位置するスイッチング部の部分よりも小さい。狭窄部７８０と７８２はｘ方向で分離され、狭窄部７８１と７８３はｘ方向で分離され、分離している距離はそれぞれ、スイッチング部７２２のスイッチング液体１３０の長さにほぼ等しく、これより小さくはない。
【００９２】
図１１Ａに示すスイッチング状態では、スイッチング液体１３０、絶縁流体１５４、作動液体１５２を含む可動要素は＋ｘ方向と−ｘ方向の両方で短い距離を自由に動く。スイッチング液体１３０とスイッチ電極１４０と１４１の間の電気接触は、この動きの範囲で維持される。しかし可動要素がさらに−ｘ方向に動くと、スイッチング液体１３０がスイッチ接点１４１との接触を失う前に、スイッチング液体１３０の端面１３１は狭窄部７８０に遭遇する。この遭遇により端面１３１の曲率半径が低減し、＋ｘ方向に力が生成される。この力は、可動要素の−ｘ方向へのさらなる動きに抵抗し、スイッチング液体１３０とスイッチ接点１４１との間の接触を維持する助けとなる。さらに、狭窄部７８３に遭遇する作動液体１５２の端面１５３は、−ｘ方向の可動要素の動きにさらに抵抗する、＋ｘ方向の成分を伴う力を生成する。
【００９３】
可動要素が＋ｘ方向に動くと、スイッチング液体１３０がスイッチ接点１４０と接触を失う前に、スイッチング液体１３０の端面１３３は狭窄部７８２に遭遇する。この結果端面１３３の曲率半径が減少し、−ｘ方向の力が生成される。この力は可動要素の＋ｘ方向へのさらなる動きに抵抗し、スイッチング液体１３０とスイッチ接点１４０の間の接触を維持する助けとなる。
【００９４】
図１１Ｂは、スイッチ７００の他のスイッチング状態を示している。スイッチ７００のローレンツアクチュエータ（図示せず）は、図５Ａと図５Ｂを参照して説明したスイッチ２００のローレンツアクチュエータよりも実質的に大きなｘ方向の推進力を生成する。スイッチング液体１３０の端面１３３を狭窄部７８２を介して駆動し、スイッチング液体の端面１３１を狭窄部７８１を介して駆動するためには、追加の推進力が必要である。スイッチ７００が図１１Ｂに示すスイッチング状態になると、スイッチング液体１３０の端面１３１と狭窄部７８１の間の相互作用は＋ｘ方向の可動要素の動きに抵抗し、スイッチング液体とスイッチ接点１４１の間の接触を維持する助となる。さらに、スイッチング液体１３０の端面１３３と狭窄部７８３の間の相互作用は可動要素の−ｘ方向の動きに抵抗し、スイッチング液体とスイッチ接点１４２の間の接触を維持する助けとなる。
【００９５】
さらに図１１Ａと図１１Ｂには、スイッチング部７２２内のオプションとしての狭窄部７８４が示されている。狭窄部７８４は、隣接する狭窄部７８３に対して＋ｘ方向にオフセットされている。作動液体１５２の端面１５３と狭窄部７８４の間の相互作用はさらに作動液体の−ｘ方向の動きに抵抗し、したがって、図１１Ｂに示すスイッチング状態で、スイッチング液体１３０とスイッチ接点１４２の間の接触を維持する助けとなる。
【００９６】
キャビティ７２０の作動部（図示せず）の中に別の狭窄部（図示せず）を配置し、作動部内の作動液体１５２の位置を制御するようにしてもよい。さらに、複数のスイッチング部を有する実施形態では、追加の狭窄部を各スイッチング部に配置することができる。
【００９７】
図１１Ｃは、スイッチのスイッチング状態の安定性を増加させる、スイッチ７００のキャビティ７２０の代替となるスイッチング部７２３を示す、一部を切り取った拡大平面図である。代替のスイッチング部７２３により、機械的なショックまたは振動などの外部の刺激によって可動要素がキャビティ内の長さ方向に沿って移動しスイッチのスイッチング状態を変えてしまうことが低減される。代替のスイッチング部は、図５Ａと図５Ｂに示すスイッチと同様な単極双投スイッチのキャビティを使って説明する。説明したスイッチの他の実施形態のキャビティも同様に修正できる。
【００９８】
スイッチング部７２３は、スイッチング液体１３０に対して濡れ性が高い領域と低い領域を交互に備える内壁を有している。この開示では、高い濡れ性と低い濡れ性という用語は絶対的な意味ではなく相対的な意味で使用している。したがって、スイッチング液体に対して濡れ性が低い材料は、スイッチング液体およびスイッチング液体に対して高い濡れ性を有する材料と比べて低い濡れ性を有し、スイッチング液体に対して高い濡れ性を有する材料は、スイッチング液体およびスイッチング液体に対して低い濡れ性を有する材料と比べて高い濡れ性を有する。図示された例において、スイッチング部７２３は第２の基板１１４内に形作られ（たとえば図２Ａ）、内壁７２５はスイッチング液体１３０に対して濡れ性が高い材料で作成される。スイッチング部７２３に沿って、スイッチング液体１３０に対し濡れ性が低い材料の帯７８５、７８６、７８７、７８８が配列される。帯７８５から７８８の間にスイッチ接点１４０から１４２が交互に挟まれて配置されている。帯７８５と７８７はｘ方向に分離され、帯７８６と７８８はｘ方向に分離され、分離の距離はスイッチング部７２３内のスイッチング液体１３０の長さとほぼ等しく、この長さより小さくなってはいない。
【００９９】
スイッチング液体１３０が水銀である実施形態では、金属は水銀に対して高い濡れ性を有し一般的な基板材は水銀に対して低い濡れ性を有する。しかし、多くの金属が水銀とアマルガムを形成する。例としての実施形態では、第２の基板１１４の材料は水銀に関して低い濡れ性を有し、キャビティ７２０の帯７８５、７８６、７８７、７８８の外側のスイッチング部７２２の壁７２５は濡れ性の高い材料でコーティングされ、基板材は帯７８５、７８６、７８７、７８８内で露出している。例としての実施形態では、帯７８５、７８６、７８７、７８８の外側の壁は、クロム（Ｃｒ）の接着層、および、水銀によって分解してアマルガムを形成しないプラチナ（Ｐｔ）または鉄（Ｆｅ）などの金属層でコーティングされている。代替の実施形態では、濡れ性の高い材料はロジウム（Ｒｈ）である。第２の基板１１４の材料がスイッチング液体１３０に対して比較的高い濡れ性を有する実施形態、または、低い濡れ性の領域と高い濡れ性の領域で濡れ性に関する特に大きな対比が望ましい実施形態では、壁７２５は帯７８５、７８６、７８７、７８８のところでスイッチング液体に対して濡れ性が低い材料でコーティングしている。ガラスと多くのプラスチックは水銀に対して低い濡れ性を有する。
【０１００】
図１１Ｃに示したスイッチング状態では、スイッチング液体１３０、絶縁流体１５４、作動液体１５２を含む可動要素は、スイッチ電極１４０と１４１とに接触して＋ｘ方向と−ｘ方向の両方に短い距離だけ自由に動く。スイッチング液体１３０とスイッチ電極１４０と１４１との間の電気接触はこの動きの範囲で維持される。スイッチング液体１３０の端面１３１は壁７２５の高い濡れ性の材料と接触しているので、比較的大きな曲率半径を有する。しかし可動要素がさらに−ｘ方向に移動すると、スイッチング液体１３０がスイッチ接点１４１との接触を失う前に、スイッチング液体１３０の端面１３１は濡れ性の低い材料の帯７８５に遭遇する。この遭遇により端面の曲率半径が低下し、＋ｘ方向に力が生成される。この力は可動要素の−ｘ方向へのさらなる動きに抵抗し、スイッチング液体１３０とスイッチ接点１４１の間の接触を維持する助けとなる。
【０１０１】
可動要素が＋ｘ方向に移動すると、スイッチング接点１３０がスイッチ接点１４０との接触を失う前に、スイッチング液体１３０の端面１３３は濡れ性の低い材料の帯７８７と遭遇する。この結果端面１３３の曲率半径が減少し、−ｘ方向に力が生成される。この力は可動要素の＋ｘ方向へのさらなる動きに抵抗し、スイッチング液体１３０とスイッチ接点１４０の間の接触を維持する助けとなる。
【０１０２】
帯７８８がさらに作動液体１５２に対して低い濡れ性を有する実施形態では、端面１５３が帯７８８と遭遇したことから生じる作動液体１５２の端面１５３の曲率半径の減少により＋ｘ方向に力が生成され、さらに、図１１Ｃに示すスイッチング状態で可動要素の−ｘ方向への動きに抵抗する。
【０１０３】
図１１Ｃに示すスイッチ７００の実施形態の他のスイッチング状態（図示せず）では、スイッチング液体１３０の端面１３１と濡れ性の低い材料の帯７８６の間の相互作用はスイッチング液体１３０の＋ｘ方向の動きに抵抗し、端面１３３と帯７８８の間の相互作用はスイッチング液体１３０の−ｘ方向への動きに抵抗する。
【０１０４】
さらに図１１Ｃには、作動液体１５２に対して低い濡れ性を有する材料でできたオプションの帯７８９を示している。帯７８９は、隣接する帯７８８に対して＋ｘ方向に位置している。作動液体１５２の端面１５３と帯７８９の間の相互作用は作動液体１５２の−ｘ方向の動きに抵抗するので、他のスイッチング状態におけるスイッチング液体１３０とスイッチ接点１４２との間の接触を維持する助けとなる。
【０１０５】
濡れ性の低い材料の追加の帯（図示せず）をキャビティ７２０の作動部（図示せず）に配置し、作動部内の作動液体１５２の位置を制御してもよい。さらに、図１１Ｃに示す濡れ性の低い材料の帯と図１１Ａと図１１Ｂに示す狭窄部を組み合わせて使用し、キャビティ内の可動要素の位置を制御してもよい。
【０１０６】
図１１Ｃに示すように、濡れ性の高い材料の基板に濡れ性の低い材料の帯７８５から７８０を適用して、スイッチング液体１３０に対して濡れ性の低い領域と濡れ性の高い領域を交互に形作る方法の代替として、基板１１４の材料はスイッチング液体１３０に対して低い濡れ性を有していてもよい。この場合、スイッチング部７２３の壁７２５は図１１Ｃに示す帯７８５から７８８の間に対応する領域で、スイッチング液体１３０に対して濡れ性の高い材料の帯で覆う。このような帯は、スイッチ接点１４０から１４２をスイッチング液体１３０に晒す形状になっている。
【０１０７】
図１１Ａから図１１Ｃを参照して説明した構造は、スイッチ７００のスイッチング状態が変わったときに、スイッチング液体がスイッチ接点１４０と１４１に対して停止する位置と、スイッチ接点１４１と１４２に対して停止する位置を定める役割を果たす。
【０１０８】
図１２Ａと図１２Ｂはそれぞれ、本発明による金属接点スイッチの第８の実施形態８００の平面図と断面図とを示す。ここでローレンツアクチュエータが所与の推進力を生成するために必要な制御電流の大きさは低減されている。スイッチ８００は、図２Ａから図２Ｂを参照して説明したスイッチと同様な単極単投スイッチを使って説明する。スイッチ８００の要素のうち図２Ａから図２Ｃに関して説明したスイッチの要素に対応する要素は同じ参照数字によって示し、ここでは説明を繰り返さない。次に説明するローレンツアクチュエータと似たローレンツアクチュエータを、本明細書に開示したスイッチの他の実施形態に組み込むことができる。
【０１０９】
スイッチ８００のローレンツアクチュエータ８５０では、磁石１７０を組込む磁石アセンブリ８７０は、作動液体１５２に磁場を加える。与えられた磁石１７０の強さに対して、キャビティの作動部に隣接する第２の基板１１４に接着された磁石１７０が磁場を加える図２Ａから図２Ｃを参照して説明した構成よりも、磁石アセンブリ８７０は実質的に強い磁場を作動液体１５２に加える。
【０１１０】
磁石アセンブリ８７０は、磁石１７０、強磁性の磁極片８７４及び８７６とを備えている。磁石１７０は、筐体１１０の片側に隣接した位置にあり、極軸は第１の基板１１２の主要な面１１３に直交している。磁極片８７４は、第２の基板１１４を横切って、磁石１７０から、キャビティ１２０の作動部１２４が形作られている基板１１４の領域に伸びている。図１２Ａでは、磁極片８７４に対するキャビティ１２０の位置、特にキャビティ１２０の作動部１２４の位置を破線で示している。
【０１１１】
次に図１２Ｂを参照すると、磁極片８７６は第１の基板１１２を横切って、磁石１７０から、基板１１４に形作られたキャビティ１２０の作動部１２４と並んだ基板１１２の領域に伸びている。図１２Ｂでは、磁極片８７４と８７６に対するキャビティ１２０の位置、特にキャビティ１２０の作動部１２４の位置を示している。スイッチ８００では、作動液体１５２は、磁石１７０と磁極片８７４及び８７６とが形成する磁石回路内のギャップに生じる強い磁場内に位置している。
【０１１２】
図１２Ｃは、第１の基板８１２が磁極片８７６を収容するくぼみ８１６を形作っているスイッチングデバイス８００の変形例８０２を示す断面図である。磁極片８７６は、磁石１７０から、第２の基板１１４内に形作られたキャビティ８２０の作動部１２４と並んだ基板８１２の領域まで伸びている。図１２Ｃでは、磁極片８７４と８７６に対するキャビティ１２０の位置、特に作動部１２４の位置を示している。第１の基板８１２内のくぼみ８１６の中に磁極片８７６を配置することにより、磁極片８７４と８７６の間の距離が低減し、作動液体１５２が位置している磁石回路内のギャップの磁場の強さが増加する。
【０１１３】
図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃはそれぞれ、本発明による金属接点スイッチの第９の実施形態９００についての、一部を切り取った２つの平面図と断面図を示す。ここで、ローレンツアクチュエータが所与の推進力を生成するために必要な制御電流の大きさはさらに低減され、ローレンツアクチュエータの抵抗は増加している。図１３Ｄと図１３Ｅはそれぞれ、スイッチ９００の第１の基板と第２の基板の平面図である。スイッチ９００は、図５Ａと図５Ｂに示すスイッチと同様な単極双投スイッチのものを説明する。スイッチ９００の要素のうち上述のスイッチの要素に対応する要素は同じ参照番号で示し、ここでは説明を繰り返さない。次に説明するローレンツアクチュエータと似たローレンツアクチュエータを、本明細書に開示したスイッチの他の実施形態に組み込むことができる。
【０１１４】
スイッチ９００では、キャビティ９２０は、前述した構成と同様な構成で縦に並んだスイッチング部１２２と作動部９２４とを備えている。作動部９２４の長さを伸ばして、絶縁流体１５４の一部、スイッチング液体１５２、絶縁流体９５４、スイッチング液体９５２をｘ方向に縦に並べて収容させている。さらに、作動部９２４には、スイッチング液体９５２と電気接触する相対する制御電極９６０と９６４、およびスイッチング液体９５２と電気接触する相対する制御電極９６６と９６２とが位置している。制御電極９６０と９６２はスイッチング部９２４から伸び、制御回路（図示せず）に接続されるようになっている。制御電極９６４と９６６は、ｙ方向に作動部９２４を超えて伸びるトレース９６１（図１３Ｄ）によって直列に内部で接続されている。トレース９６１は、作動部９２４に位置するスイッチング液体部分１５２と９５２から分離されている。別法として、制御電極９６４と９６６は制御電極９６０と９６２と形状が同じで、外部で直列に接続される。
【０１１５】
磁石９７０は、キャビティ９２０の作動部９２４での全移動範囲で作動液体１５２と作動液体９５２に磁場を加える形状である。別法としては、別々の磁石を使用してスイッチング液体１５２と９５２にそれぞれ磁場を加えてもよい。さらに別法としては、図１２Ａから図１２Ｃに関して説明した構成と同様な極磁片の構成を使用し、作動液体１５２と作動液体９５２に集合的または個別に磁場を加えてもよい。
【０１１６】
絶縁流体９５４は、スイッチング液体９５２を介して流れる制御電流が生成する推進力と、スイッチング液体１５２を介して追加的に流れる制御電流で生成される推進力とを機械的に連結している。したがって、作動液体１５２と９５２は各々、ローレンツアクチュエータ９５０が、スイッチング液体１３０、絶縁流体１５４、作動液体１５２、絶縁流体９５４、作動液体９５２を含む可動要素９５８を＋ｘ方向または−ｘ方向に動かすために生成する必要がある推進力の半分しか生成する必要はない。絶縁流体９５４と作動液体９５２に追加される体積は、スイッチング液体１３０、絶縁流体１５４、作動液体１５２に追加される体積よりも少なく、作動液体１５２と作動液体９５２を介してそれぞれ流れる制御電流は、図２Ａから図２Ｃに示される単一の作動液体部分しか有しないローレンツアクチュエータの制御電流よりも小さい。制御電極９６４と９６６は直列に接続され、制御電極９６０と９６２（またはその逆）の間に印加される制御電圧により、同じ制御電流が作動液体１５２と作動液体９５２の両方を介して流れる。
【０１１７】
ローレンツアクチュエータは低い電気抵抗を有する。前述のように２つのローレンツアクチュエータを直列で電気接続することにより、一般的な制御回路とよりよいインピ−ダンス一致が図れる電気抵抗の大きくなったローレンツアクチュエータを提供することができる。
【０１１８】
図１３Ｃの断面図は、電極９６４と９６６（図１３Ａ）の間の内部直列接続の詳細を示している。第１の基板９１３は、導電性トレース９６１が主要な面に位置している基部９１６を備えている。基部の主要な面の残りは平坦化層９１７によって覆われている。絶縁材層９１８は平坦化層とトレースとを覆っている。スイッチ接点１４０から１４２、制御電極９６０、９６２、９６４、９６６は絶縁層９１８の主要な面の上にある。図１３Ｄをさらに参照すると、絶縁層９１８のトレース９６１の両端の開口部は、トレースに電気接続されたバイア９６３と９６５を収容している。制御電極９６４は、トレース９６１から離れたバイア９６３の端に電気接続されている。制御電極９６６は、トレース９６１から離れたバイア９６５の端に電気接続される。したがって、バイア９６３と９６５、トレース９６１は、制御電極９６４を制御電極９６６に電気接続する回路を形成している。
【０１１９】
図１３Ａから図１３Ｃに示す例において、作動液体の２つの部分と、相対する制御電極のそれぞれの対は作動部９２４に位置する。他の実施形態では、作動部９２４に位置する作動液体の部分の数とそれぞれ相対する電極の数は２よりも多い。トレース９６１と同様な追加のトレースを設け、直列の作動液体の部分に接触する電極を接続する。さらに別の実施形態では、ローレンツアクチュエータの可動要素の移動は図７Ｂを参照して説明した移動と同様な方法で定められる。このような実施形態では、２対の相対する電極は、作動部９２４の作動液体の各部分と接触するように配置される。順方向の動きを与える電極、逆方向の動きを与える電極は別々に直列に接続する。内部で直列接続させる実施形態では、トレース９６１と同様なトレースを基板９１２の異なるレベルに設け、それぞれ順方向の相互接続と逆方向の相互接続をさせる。
【０１２０】
次に、図２Ａから図２Ｃ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂを参照して説明したスイッチ１００の例としての製造方法を参照しながら、本発明によるスイッチの実施形態の製造方法を説明する。本明細書に説明する他の実施形態の製造方法は同様である。
【０１２１】
本発明による金属接点スイッチの実施形態は個別に製造できるが、スイッチは一般的には、何百または何千ものスイッチのそれぞれの基板を有するウェハを処理し組み立てるウェハスケール処理によって製造される。ついで組み立てられたウェハを個別のスイッチに分離するか、または、小さなスイッチのアレイに分割する。
【０１２２】
スイッチ１００は次のように製造される。まず図４Ａを参照すると、第１の基板１１２の一部を形成している第１のウェハを準備する。第１のウェハに適した材料の例は、シリコン、ガラス、セラミック、プラスチックである。別法としては、主要な面上に絶縁層を伴う金属基板を使用することができる。各スイッチのスイッチ接点１４０と１４１、および制御電極１６０と１６２は第１のウェハの１つの主要な面の導電材内で形作られる。１実施形態では、ＰｔまたはＦｅの層の導電層を、基板１１２の一部を形成するウェハの主要な面の上に付着させる。導電層はエッチングまたはリフトオフプロセスによってパターン形成し、スイッチ接点１４０と１４１、制御電極１６０と１６２を形作る。他の実施形態では、スイッチ接点と制御電極は、スクリーン印刷とラミネーションなどのプロセスによってウェハの主要な面上に付着させる。一部の実施形態では、スイッチ接点と制御電極は異なる材料でもよい。
【０１２３】
いくつかの実施形態では、スイッチ接点１４０と１４１、および制御電極１６０と１６２の片方または両方は、複数の材料の層で形成される。１例では、スイッチ接点と制御電極は、薄い接着層、高導電性材の厚い導電層、スイッチング液体１３０と作動液体１５２に対して比較的高い濡れ性を有する材料の薄い接触層で形成される。さらに、接触層の材料は、スイッチング液体と作動液体に対して不溶性であるか、またはなんらかの方法で腐食されない材料である。例えば、付着層の材料はチタン、導電層の材料は金、接触層の材料はロジウムである。別の例では、付着層はクロム、導電層と接触層の組み合わせはプラチナ、または、ロジウム、鉄である。
【０１２４】
オプションとしては、第１のウェハには、次に説明する少なくともキャビティ１２０の一部を形作る処理と同様な処理を行なってもよい。
【０１２５】
次に図４Ｂを参照すると、第２の基板１１４の一部を形成する第２のウェハが準備される。第２のウェハに適した材料の例はシリコン、ガラス、セラミック、プラスチックである。第２のウェハを処理し、個別の第２の基板の形状に形作る。第２の基板は、組み立てられたスイッチ内でスイッチ接点と制御電極の一部を形成するボンディングパッドを露出する形状である。個別の第２の基板の形状を形作るために使用できる例としてのプロセスは、シリコン、または、ガラス、焼成したセラミックの第２のウェハに適用する選択的エッチングまたは選択的アブレーション、およびグリーンセラミックまたはプラスチックの第２のウェハに適用する成型である。形状を形作る処理の前に第２のウェハをハンドルウェハに接着し、次の処理で構造の一体化を維持させるようにしてもよい。
【０１２６】
形状形成処理の一部として、または、別の処理として、各スイッチングデバイス１００のキャビティ１２０を第２のウェハ内で形作る。形状の形成に関して前述したプロセスと同様なプロセス、または他のプロセスを使用することができる。キャビティ１２０を全体として第１の基板１１２内に形作る実施形態では、キャビティ１２０を形作るための第２のウェハの処理は省略されている。
【０１２７】
第２の基板１１４の一部を形成する第２のウェハは、基板１１４の主要な面１１５が上を向く方向である。測定された量のスイッチング液体１３０を各第２の基板のキャビティ１２０のスイッチング部１２２に入れ、測定された作動液体１５２の部分を各第２の基板のキャビティの作動部１２４に入れる。絶縁流体が液体である実施形態では、絶縁流体１５４の測定された量をそれぞれの第２の基板のキャビティ１２０の中でスイッチング液体と作動液体の間に入れる。測定された量の液体金属を分配する技術は、２００４年４月１６日に出願された、Ｆａｚｚｉｏによる「液体金属スイッチとその製造方法」という題名の米国特許第６８２２１７６号（出願番号１０／８２６２４８）に説明されている。同特許は本開示の譲受人に譲渡されている。スイッチング液体と作動液体として使用可能な材料は例えば、水銀（Ｈｇ）、ガリウム（Ｇａ）、ガリウムとインジウムを含む合金、ガリウムとインジウムと錫を含む合金、キャリア液中の導電性粒子のスラリなどである。絶縁流体として使用可能な材料は例えば、ガス、不活性ガス、窒素（Ｎ2）、アルゴン（Ａｒ）、液体、低粘度の液体、メタノール（ＣＨ3ＯＨ）、エタノール（Ｃ2Ｈ5ＯＨ）、トランス油などである。
【０１２８】
第２の基板１１４の一部を形成する第２のウェハの主要な面は、接着剤などの接着材料の薄層でコーティングされる。ついで、基板１１２の一部を形成する第１のウェハを逆にし、適切なアライメントで第２のウェハ上に載せる。一般的には、第１のウェハと第２のウェハは、ウェハ間のアライメントの精度を保つために基準マークを有する。ついで、結合材を硬化させ、ウェハを接着させる。ついで、組み立てたウェハを個別のスイッチに分ける。分ける前にスイッチを検査してもよい。
【０１２９】
一部の実施形態では、スイッチ１１０の作動中にローレンツアクチュエータ１５０が作動部１２４から離れたキャビティ１２０のスイッチング部１２２の端部と、スイッチング部１２２から離れた作動部１２４の端部に捕捉されている空気を圧縮する必要性がないように、第１の基板１１２の一部を形成する第１のウェハは、第２の基板１１４の一部を形成する第２のウェハと真空内で接着させるか、少なくとも減圧下で接着させる。絶縁流体１５４がガスである実施形態では、第１のウェハは、絶縁流体雰囲気中で第２のウェハに接着させる。
このような実施形態では、図４Ｂに示すように、絶縁流体はさらにキャビティ１２０のスイッチング部１２２と作動部１２４の遠端に位置し、キャビティ１２０は一般的には均圧部１２６を備えている。
【０１３０】
本開示では例としての実施形態を使用して、本発明について詳細に説明した。しかし、請求項によって定義されている本発明は、説明した実施形態に制限されるものではない。
【０１３１】
本発明の実施態様の一部を以下に例示する。
（実施態様１)：キャビティ（１２０）を形作っている筐体（１１０）と、
前記キャビティ内の導電性スイッチング液体（１３０）と、
前記キャビティ内に位置し、少なくとも１つのスイッチング状態で前記スイッチング液体と電気接触するスイッチ接点（１４０、１４１）と、
前記キャビティ内に位置して前記キャビティ内で移動できる導電性作動液体（１５２）を有するローレンツアクチュエータ（１５０）であって、前記ローレンツアクチュエータは前記スイッチング液体と機械的に連結し前記スイッチのスイッチング状態を変えるローレンツアクチュエータ（１５０）とを備える金属接点スイッチ（たとえば１００）。
（実施態様２)：前記キャビティ内で前記スイッチング液体と前記作動液体の間に位置する絶縁流体（１５４）をさらに有する実施態様１に記載のスイッチ。
（実施態様３)：前記スイッチング液体（１３０）と前記作動液体（１５４）とで導電性液体の一つの本体が構成されている実施態様１に記載のスイッチ。
（実施態様４)：前記作動液体は前記キャビティ内で第１の方向に動くことができ、
前記ローレンツアクチュエータはさらに、
前記キャビティ内に位置し、前記スイッチの少なくとも１つのスイッチング状態で前記作動液体と電気接触する、相対する制御電極（１６０、１６２）と、
前記作動液体全体に磁場を加える手段（たとえば１７０）とをさらに備える実施態様１から３のいずれかに記載のスイッチ。
（実施態様５)：前記制御電極は、一つの制御電極（１６０）に相対する１対の制御電極（４６２、４６４）を備える実施態様４に記載のスイッチ。
（実施態様６)：前記制御電極は、第２の対の制御電極（４６０、４６６）に相対する第１の対の制御電極（４６２、４６４）を備える実施態様４に記載のスイッチ。
（実施態様７)：前記ローレンツアクチュエータはさらに、前記キャビティ内に位置し、前記スイッチの少なくとも１つのスイッチング状態で前記作動液体と電気接触する、相対する制御電極（１６０、１６２）を備え、
前記キャビティは、
前記制御電極が位置する作動部（６２４）と、
前記スイッチ接点が位置するスイッチング部（６２２）と、
前記スイッチング部で長さ方向に互いに分離している接合部へ前記作動部の両端から伸びている結合部（６２６、６２８）とを備える実施態様１から３のいずれか一項に記載のスイッチ。
（実施態様８)：前記接合部は前記スイッチ接点（１４０、１４１、１４２）の間に挟まれて配置されている実施態様７に記載のスイッチ。
（実施態様９)：前記ローレンツアクチュエータは、前記キャビティ内に位置し、前記スイッチの少なくとも１つのスイッチング状態で前記作動液体と電気接触する、相対する制御電極（１６０、１６２）をさらに備え、
前記キャビティは、前記制御電極が位置する作動部（１２４）と、前記スイッチ接点が位置するスイッチング部（１２２）とを備え、
前記作動部は前記スイッチング部よりも断面積が大きい実施態様１から３のいずれか一項に記載のスイッチ。
（実施態様１０)：前記作動液体は絶縁流体部分（９５４、９５５）と交互に配置された作動液体部分（９５２、９５３）を備え、前記作動液体部分と前記絶縁流体は前記キャビティ内で第１の方向に一列に配置され、前記各作動液体部分と電気接触する、相対する制御電極の対（９６０、９６４；９６６、９６２）を備えてなる実施態様１から３のいずれかに記載のスイッチ。
（実施態様１１)：前記ローレンツアクチュエータは、
前記作動液体部分から独立しており、前記作動液体部分のうち１つの部分の制御電極の対のうち１つ（９６４）と、前記作動液体部分のうち別の部分の制御電極の対のうちもう１つ（９６６）との間に配置される直列の電気接続（９１６）をさらに備える実施態様１０に記載のスイッチ。
（実施態様１２)：前記キャビティ（５２０）は円環状である実施態様１から３のいずれかに記載のスイッチ。
（実施態様１３)：前記スイッチング液体はスイッチング液体部分（１３０、５３０）を備え、
前記スイッチング液体部分を互いから分離させ、前記スイッチング液体部分を作動液体（１５２）からも分離させている絶縁流体の部分（１５４、５５４、５５６）を前記スイッチがさらに備える実施態様１２に記載のスイッチ。
（実施態様１４)：前記キャビティは前記スイッチング液体に対して異なる濡れ性を有する材料の領域（７２５、７８５、７８６、７８７、７８８）が交互に配置され、前記領域は第１の方向に配列される実施態様１から１３のうちのいずれかに記載のスイッチ。
（実施態様１５)：前記キャビティは前記第１の方向に配置された狭窄部（７８１、７８２、７８３）を備える実施態様１から１１のうちのいずれかに記載のスイッチ。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】ローレンツアクチュエータの原理を示す液体金属ポンプの等角図である。
【図２Ａ】本発明による金属接点電気スイッチの第１の実施形態の平面図である。
【図２Ｂ】本発明による金属接点電気スイッチの第１の実施形態の側面図である。
【図２Ｃ】図２Ａと図２Ｂに示すスイッチの実施形態の内部構造を示す、一部を切り取った平面図である。
【図３Ａ】図２Ａと図２Ｂに示すスイッチの実施形態の図２Ｃの分割線３Ａ−３Ａに沿った断面を、１つのスイッチング状態で示す図である。
【図３Ｂ】図２Ａと図２Ｂに示すスイッチの実施形態の図２Ｃの分割線３Ａ−３Ａに沿った断面を、１つのスイッチング状態で示す図である。
【図４Ａ】図２Ａと図２Ｂに示すスイッチの実施形態の第１の基板の平面図である。
【図４Ｂ】図２Ａと図２Ｂに示すスイッチの実施形態の第２の基板の平面図である。
【図５Ａ】本発明による金属接点スイッチの第２の実施形態の内部構造を１つのスイッチング状態で示す、一部を切り取った平面図である。
【図５Ｂ】本発明による金属接点スイッチの第２の実施形態の内部構造を１つのスイッチング状態で示す、一部を切り取った平面図である。
【図５Ｃ】本発明の１実施形態による、二極双投金属接点スイッチの１実施形態の内部構造を１つのスイッチング状態で示す、一部を切り取った平面図である。
【図６Ａ】本発明による金属接点スイッチの第３の実施形態の内部構造を１つのスイッチング状態で示す、一部を切り取った平面図である。
【図６Ｂ】本発明による金属接点スイッチの第３の実施形態の内部構造を１つのスイッチング状態で示す、一部を切り取った平面図である。
【図７Ａ】本発明による金属接点スイッチの第４の実施形態の内部構造を１つのスイッチング状態で示す、一部を切り取った平面図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示す本発明によるスイッチの実施形態に対する変形例を示す、一部を切り取った平面図である。
【図８Ａ】本発明によるスイッチの図７Ａに示す実施形態の動作を示す、一部を切り取った平面図である。
【図８Ｂ】本発明によるスイッチの図７Ａに示す実施形態の動作を示す、一部を切り取った平面図である。
【図８Ｃ】本発明によるスイッチの図７Ａに示す実施形態の動作を示す、一部を切り取った平面図である。
【図８Ｄ】本発明によるスイッチの図７Ａに示す実施形態の動作を示す、一部を切り取った平面図である。
【図９Ａ】本発明による金属接点スイッチの第５の実施形態の内部構造を１つのスイッチング状態で示す、一部を切り取った平面図である。
【図９Ｂ】本発明による金属接点スイッチの第５の実施形態の内部構造を１つのスイッチング状態で示す、一部を切り取った平面図である。
【図９Ｃ】図９Ａと図９Ｂに示すスイッチの実施形態の図９Ａの切断線９Ｃ−９Ｃに沿った断面図である。
【図９Ｄ】図９Ａと図９Ｂに示すスイッチの実施形態の第１の基板を示す平面図である。
【図９Ｅ】図９Ａと図９Ｂに示すスイッチの実施形態の第２の基板を示す平面図である。
【図１０Ａ】本発明による金属接点スイッチの第６の実施形態の内部構造を示す、一部を切り取った平面図である。
【図１０Ｂ】本発明による金属接点スイッチの第６の実施形態の内部構造を示す、一部を切り取った平面図である。
【図１１Ａ】キャビティの構造を修正し、スイッチのスイッチング状態の安定性を高めた、本発明による金属接点スイッチの第７の実施形態の一部を示す、一部を切り取った拡大平面図である。
【図１１Ｂ】キャビティの構造を修正し、スイッチのスイッチング状態の安定性を高めた、本発明による金属接点スイッチの第７の実施形態の一部を示す、一部を切り取った拡大平面図である。
【図１１Ｃ】本発明によるスイッチの実施形態のスイッチング状態の安定性を高める代替のキャビティ構造を示す、一部を切り取った拡大平面図である。
【図１２Ａ】本発明による金属接点スイッチの第８の実施形態の平面図である。
【図１２Ｂ】本発明による金属接点スイッチの第８の実施形態の断面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ａと図１２Ｂに示す本発明によるスイッチの実施形態の変形例を示す断面図である。
【図１３Ａ】本発明による金属接点スイッチの第９の実施形態の、一部を切り取った平面図である。
【図１３Ｂ】本発明による金属接点スイッチの第９の実施形態の、一部を切り取った平面図である。
【図１３Ｃ】本発明による金属接点スイッチの第９の実施形態の断面図である。
【図１３Ｄ】図１３Ａと図１３Ｂに示す本発明によるスイッチの実施形態の第１の基板の平面図である。
【図１３Ｅ】図１３Ａと図１３Ｂに示す本発明によるスイッチの実施形態の第２の基板の平面図である。
【符号の説明】
【０１３３】
１０  液体金属ポンプ
２０  リザーバ
２２  開放チャネル
３０  水銀
４０  ライザ管
４２  戻り管
５０  水銀の流れ
６０，６２  電極
７０  磁場
１００  金属接点電気スイッチ
１１０，５１０，６１０  筐体
１１２，２１２，５１２  第１の基板
１１３，１１５，２１３，３１３，５１５  面
１１４，２１４，３１４，５１４  第２の基板
１２０，２２０，３２０，５２０，６２０，７２０，９２０  キャビティ
１２２，２２２，３２２，５２２，５２６，６２２，７２２，７２３  スイッチング部
１２４，２２４，３２４，５２４，９２４，６２４  作動部
１２６  均圧部
１３０，５３０  導電性スイッチング液体
１４０，１４１，１４２，２４０，２４１，２４２，３４０，３４１，３４２，５４０，５４１，５４２  スイッチ接点
１５０，４５０，５５０，６５０  ローレンツアクチュエータ
１５２  導電性作動液体
１５４，１５５，２５４，３５４，５５４，５５６，９５４  絶縁流体
１５８，３５８，５５８，９５８  可動要素
１６０，１６２，４６０，４６２，４６４，４６６，５６０，５６２，５６４，５６６，９６０，９６２，９６４，９６６  制御電極
１７０，５７０，９７０  磁石
２００，２０２，３００，４００，５００，６００，７００，８００，８０２，９００  スイッチ
２３０，３３０，９５２  スイッチング液体
３１２，８１２  基板
４８０，４８２  制御電流
４８１，４８３  推進力
５２８  中心
６２６，６２８  結合部
６３２，６３４，６３６，  スイッチング液体部分
７８０，７８１，７８２，７８３  狭窄部
７８５，７８６，７８７，７８８，７８９  濡れ性が低い材料の帯
８１６  くぼみ
８７０  アセンブリ
８７４，８７６  磁極片
９１６  基部
９１７  平坦化層
９１８  絶縁材層
９６１  トレース
９６３，９６５  バイア
【図１】
2006040892.tif 000003
【図２Ａ】
2006040892.tif 000004
【図２Ｂ】
2006040892.tif 000005
【図２Ｃ】
2006040892.tif 000006
【図３Ａ】
2006040892.tif 000007
【図３Ｂ】
2006040892.tif 000008
【図４Ａ】
2006040892.tif 000009
【図４Ｂ】
2006040892.tif 000010
【図５Ａ】
2006040892.tif 000011
【図５Ｂ】
2006040892.tif 000012
【図５Ｃ】
2006040892.tif 000013
【図６Ａ】
2006040892.tif 000014
【図６Ｂ】
2006040892.tif 000015
【図７Ａ】
2006040892.tif 000016
【図７Ｂ】
2006040892.tif 000017
【図８Ａ】
2006040892.tif 000018
【図８Ｂ】
2006040892.tif 000019
【図８Ｃ】
2006040892.tif 000020
【図８Ｄ】
2006040892.tif 000021
【図９Ａ】
2006040892.tif 000022
【図９Ｂ】
2006040892.tif 000023
【図９Ｃ】
2006040892.tif 000024
【図９Ｄ】
2006040892.tif 000025
【図９Ｅ】
2006040892.tif 000026
【図１０Ａ】
2006040892.tif 000027
【図１０Ｂ】
2006040892.tif 000028
【図１１Ａ】
2006040892.tif 000029
【図１１Ｂ】
2006040892.tif 000030
【図１１Ｃ】
2006040892.tif 000031
【図１２Ａ】
2006040892.tif 000032
【図１２Ｂ】
2006040892.tif 000033
【図１２Ｃ】
2006040892.tif 000034
【図１３Ａ】
2006040892.tif 000035
【図１３Ｂ】
2006040892.tif 000036
【図１３Ｃ】
2006040892.tif 000037
【図１３Ｄ】
2006040892.tif 000038
【図１３Ｅ】
2006040892.tif 000039