(57)【要約】【課題】圧電駆動による液体金属スイッチ、特に押し出し素子を備えるスイッチの提供。【解決手段】電気スイッチ（１０５）用の構造には、固体材料（１３０、１４０、１５０）内に収容され、駆動液体（２３０）が充填されたチャンバ（２４０）と、前記チャンバ内で前記固体材料に結合している複数のスイッチ・コンタクト（２４５）と、前記複数のスイッチ・コンタクトと前記チャンバとに結合した複数の液体金属小滴（２３５）と、前記チャンバに結合した複数の薄膜（５１５）に結合する複数の圧電素子（２１５）とが備えられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気スイッチ用の構造において、
固体材料内に収容され、駆動液体が充填されたチャンバと、
前記チャンバ内で前記固体材料に結合している複数のスイッチ・コンタクトと、
前記複数のスイッチ・コンタクトと前記チャンバとに結合した複数の液体金属小滴と、
前記チャンバに結合した複数の薄膜に結合する複数の圧電素子と、
を有する電気スイッチ用構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して電子装置及びシステムの分野に関し、更に詳しくは、電気、電子スイッチング技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
リレイやスイッチを使用することにより、電気信号を第１状態から第２状態に変化させることができる。一般的には、２状態より多い。小型スイッチや小さな領域内に多数のスイッチを必要とする用例では、超小型電子部品製造法を使用し、占有面積の小さなスイッチを製造することができる。半導体スイッチは、産業機器、通信機器、及びインクジェットプリンタのような電子機械装置の制御などの様々な用例で使用可能である。
【０００３】
スイッチング用例では、圧電技術を使用してスイッチを作動させることができる。圧電材料は、いくつかの固有の特徴を有しており、印加電圧に応答して圧電材料を伸張又は短縮させることができる。これは、間接的圧電効果と呼ばれるものである。この伸張又は短縮の量、伸張又は短縮によって生成される力、及び連続的な短縮間の時間間隔は、特定の用例における圧電材料の適用法に影響を与える重要な材料特性である。又、圧電材料は、直接的な圧電効果をも有しており、これは、印加した力に応答して電界を生成する現象である。圧電材料にコンタクトを適切に接続すれば、この電界を電圧に変換することができる。間接的圧電効果は、スイッチング素子内においてコンタクトを形成又は切断するのに有用であり、直接的圧電効果は、印加した力に応答してスイッチング信号を生成するのに有用である。
【特許文献１】米国特許第６５１２３２２号明細書
【特許文献２】米国特許第６５１５４０４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、圧電駆動による液体金属スイッチ、特に押し出し素子を備えるスイッチの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
電気スイッチ用の構造及びスイッチング方法を開示する。本発明の構造によれば、液体充填チャンバが固体材料内に収容されている。液体充填チャンバ内のスイッチ・コンタクトが固体材料に結合しており、圧電素子が複数の薄膜に結合している。複数の薄膜は、液体充填チャンバに結合している。そして、複数のスイッチ・コンタクトが複数の液体金属小滴に結合している。本発明の方法によれば、圧電素子を作動させ、薄膜素子を偏向させる。この薄膜素子の偏向により、駆動流体である駆動液体の圧力が上昇し、この駆動液体の圧力の上昇により、電気スイッチの第１コンタクトと第２コンタクト間における液体金属の接続が切断される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
新規性を有すると考えられる本発明の特徴については、添付の特許請求の範囲に具体的に記述されている。しかしながら、以下の添付図面との関連で、本発明の特定の模範的な実施例について記述する本明細書の本発明に関する詳細な説明を参照することにより、本発明の目的及び効果、並びに、その構成及び動作方法の両方の観点から、本発明自体について十分に理解することができよう。
【０００７】
本発明によれば、多数の異なる態様の実施例が可能であり、図面及び本明細書においては、特定の実施例について図示並びに詳述しているが、この開示内容は、本発明の原理の一例と見なすべきであって、図示及び説明するこれら特定の実施例に本発明を限定することを意図するものではない。尚、以下の説明においては、同じ参照符号を使用し、添付図面のいくつかの図において同一、類似、又は対応する部分を示している。
【０００８】
液体金属スイッチは、複数の層を使用して表現することが可能であり、これら複数の層は、液体金属スイッチの製造の際に生成される層を表している。
【０００９】
まず、図１を参照すれば、本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチ１０５の側面図１００が示されている。この押し出し式液体金属スイッチ１０５は、複数の別個の層から構成可能であり、これら複数の層は、複数の機能を提供している。圧電基板層１１０は、駆動装置流体槽層１２０に結合している。この駆動装置流体槽層１２０は、薄膜層１３０に結合しており、薄膜層１３０は、液体金属チャネル層１４０に結合している。そして、液体金属チャネル層１４０は、回路基板層１５０に更に結合している。尚、回路基板層１５０は、複数の回路トレースを更に有することが可能であり、図１には、これら複数の回路トレースが示されていないことに留意されたい。又、図１に示されている１つ又は複数の層は、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、組み合わせて別の名称を付与することも可能であることに留意されたい。一例として、薄膜とチャネルを有するチャネル層として、薄膜層１３０と液体金属チャネル層１４０を組み合わせることが可能である。又、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、１つ又は複数の更なる層を設けることも可能であることに留意されたい。本発明の特定の実施例においては、これらの圧電基板層１１０、駆動装置流体槽層１２０、薄膜層１３０、液体金属チャネル層１４０、及び回路基板層１５０は、ガラス、セラミック、複合材料、及びセラミック被覆材料の１つ又は複数のから構成可能である。
【００１０】
次に図２を参照すれば、本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチ１０５の断面図２００が示されている。この断面図２００は、複数のコンタクト２１０に結合する圧電基板層１１０を示しており、これら複数のコンタクト２１０は、複数のビア２２５に結合している。この複数のビア２２５により、対応する複数の圧電素子２１５に電位を印加することができる。電位は、複数のコンタクト２１０の中の２つのコンタクトを使用して印加可能である。これらの２つのコンタクトは、複数の絶縁体２２０の１つによって絶縁されている。図２に示されているように、この複数の絶縁体２２０のそれぞれは、複数のコンタクト２１０のそれぞれのコンタクト対に結合している。本発明の特定の実施例においては、複数の絶縁体２２０、複数の圧電素子２１５、及び複数のコンタクト２１０のそれぞれのコンタクトのセグメントは、駆動装置流体槽層１２０内に配置されている。本発明の特定の実施例においては、押し出し素子２２７は、複数の圧電素子２１５の中の１つの圧電素子、複数の絶縁体２２０の中の１つの絶縁体、複数のコンタクト２１０の中の１対のコンタクトのセグメントから構成されている。
【００１１】
押し出し素子２２７は、駆動装置流体槽層１２０内に存在している。押し出し素子２２７は、隣接する押し出し素子から駆動流体２０５によって分離されている。本発明の特定の実施例においては、駆動装置流体槽層１２０内のそれぞれの押し出し素子は、駆動流体２０５によって分離されている。本発明の特定の実施例においては、駆動流体２０５は、「３Ｍ  フロリナート（商標）」などの、不活性であって、粘度が低く、沸点の高い流体から構成されている。正の電位は、複数の圧電素子２１５の中の１つの圧電素子を伸長させるように作用し、負の電位は、複数の圧電素子２１５の中の１つの圧電素子を短縮させるように作用させることができる。尚、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、正の電位を使用して圧電素子を短縮させ、負の電位を使用して圧電素子を伸長させることも可能であることに留意されたい。図２に示されているように、押し出し素子２２７は、薄膜層１３０に結合しており、この結果、押し出し素子２２７の伸長により、薄膜層１３０が押圧され、これにより、スイッチング流体２３０が薄膜層１３０から液体金属チャネル層１４０のチャネル２４０内に伸張することになる。
【００１２】
チャネル２４０は、複数の液体金属２３５、複数のスイッチ・コンタクト２４５、及びスイッチング流体２３０を有している。水銀やガリウム合金などの液体金属２３５は、摩擦軽減潤滑材として機能する。複数の液体金属２３５は、複数のスイッチ・コンタクト２４５に結合しており、複数の液体金属２３５の中の１つは、複数のスイッチ・コンタクト２４５の中の２つに結合している。これらの複数のスイッチ・コンタクト２４５は、回路基板層１５０に更に結合している。
【００１３】
押し出し式液体金属スイッチ１０５は、複数のコンタクト２１０の中の２つに電位を印加することによって動作する。この印加電位により、複数の圧電素子の中の１つが伸長する。この伸長により、スイッチング流体２３０の圧力が上昇する。この結果、スイッチング流体２３０がチャンバ２４０内に押しやられる。チャンバ２４０における対応するスイッチング流体２３０の圧力上昇により、複数の液体金属２３５の中で現在複数のスイッチ・コンタクト２４５の中の第１スイッチ・コンタクトと第２スイッチ・コンタクトに結合している１つの液体金属が、２つの別個の領域に分離する。そして、この２つの別個の領域の中の第１の領域は、第１のスイッチ・コンタクトに結合しており、第２の領域は、第２のスイッチ・コンタクトに結合している。本発明の特定の実施例においては、液体金属は、第２領域が複数のスイッチ・コンタクト２４５の中の第２スイッチ・コンタクトと第３スイッチ・コンタクトに結合するように分離する。この複数の液体金属２３５の中の１つの液体金属の分離は、押し出し式液体金属スイッチ１０５の値を第１状態から第２状態に変化させるべく動作可能である。尚、本発明の特定の実施例においては、この液体金属の分離は、第３スイッチ・コンタクトを使用することなしに押し出し式液体金属スイッチ１０５の状態を変化させるのに使用するよう動作可能である。液体金属は、液体金属と第２スイッチ・コンタクト及び第３スイッチ・コンタクトの対応する表面間の表面張力により、第２スイッチ・コンタクト及び第３スイッチ・コンタクトに結合した状態に維持される。
【００１４】
又、第１押し出し素子により、第１スイッチ・コンタクト及び第２スイッチ・コンタクトに結合した複数の液体金属２３５の中の１つの液体金属を分離させ、液体金属が第２スイッチ・コンタクト及び第３スイッチ・コンタクトに結合するように、２つの押し出し素子を使用することも可能であることに留意されたい。次いで、第２押し出し素子を使用し、第２スイッチ・コンタクト及び第３スイッチ・コンタクトに結合している液体金属を分離することができる。本発明の特定の実施例においては、第１押し出し素子に押し出し（プッシュ；伸長）させると共に、第２押し出し素子に引っ込み（プル；短縮）させ、この結果、第１押し出し素子によって液体金属が押圧されると同時に、第２押し出し素子が液体金属を引き離す負圧を生成するようにすることができる。
【００１５】
次に図３を参照すれば、本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチ１０５の回路基板層１１０の第１平面図３００が示されている。この第１平面図３００は、複数のコンタクト２１０の配列を示している。尚、これら複数のコンタクト２１０は、正方形の上部形状を有するものとして示されているが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、円形などのその他の形状を使用することも可能である。
【００１６】
次に図４を参照すれば、本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチ１０５の液体金属チャネル層１４０の平面図４００が示されている。この平面図４００は、複数の貫通孔４０５を示すチャネル２４０の平面図４１５を示しており、複数の貫通孔４０５は、スイッチング流体２３０が強力にチャネル２４０内に進入することを可能にするべく作用する。これらの複数の貫通孔４０５は、スイッチング流体２３０の圧力が上昇し、この結果、複数の液体金属２３５の中の１つの液体金属の分離が良好に行われるようなサイズになっている。又、液体金属チャネル層１４０の断面図４１０もあわせて示されている。この断面図４１０は、チャネル２４０の幅に対する複数の貫通孔４０５の幅を示している。尚、図４には２つの貫通孔が示されているが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、更に多くの数の貫通孔を使用することも可能であることに留意されたい。又、複数の貫通孔４０５は、複数の別個の幅を有するように実施可能であることにも留意されたい。これら複数の別個の幅は、スイッチング流体２３０の量と複数の圧電素子２１５の伸長又は短縮の量に整合するように選択可能である。
【００１７】
次に図５を参照すれば、本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチ１０５の薄膜層１３０の平面図５００が示されている。この平面図５００は、流体流制限部５１０の図を含む薄膜層１３０の向きを示している。流体流制限部５１０は、駆動装置流体槽層１２０内に流入するスイッチング流体２３０の量を制御するべく作用可能である。流体流制限部５１０は、十分な圧力が複数の液体金属２３５の中の１つの液体金属に伝達されると共に、十分な量のスイッチング流体２３０が提供されるようなサイズになっている。あわせて示す薄膜層１３０の断面図５０５は、複数の薄膜５１５に対する流体流制限部５１０の配置を示している。
【００１８】
次に図６を参照すれば、本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチ１０５の駆動装置流体槽層１２０の平面図６００が示されている。この平面図６００は、駆動流体２３０を格納する槽６１０のサイズを示している。あわせて示す駆動装置流体槽層１２０の断面図６０５には、槽６１０の幾何学形状が更に示されている。
【００１９】
次に図７を参照すれば、本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチ１０５の圧電基板層１１０の底面図７００が示されている。この底面図７００は、複数の駆動装置２２７の配置を示している。断面図７０５には、複数のコンタクト２１０の中の１つのコンタクトの配置が更に示されている。又、図７には、注入口７１０も示されている。注入口７１０は、槽６１０に駆動流体２０５を充填するのに使用するべく実施可能である。本発明の特定の実施例においては、駆動流体２０５は、押し出し式液体金属スイッチ１０５の組み立ての際に充填され、その後、注入口７１０は密閉される。
【００２０】
以上、特定の実施例との関連で本発明について説明したが、当業者には、以上の説明から、多数の代替、変更、置換、変形が明らかになるであろうことが明白である。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲に属するそれらの代替、変更、及び変形をも包含するものである。なお、本発明の実施態様の一部を下記して本発明の実施の参考に供する。なお、本発明の理解を容易にするために実施例での参照番号を付記した。
【００２１】
（実施態様１）：電気スイッチ（１０５）用の構造において、固体材料（１３０、１４０、１５０）内に収容され、駆動液体（２３０）が充填されたチャンバ（２４０）と、前記チャンバ内で前記固体材料に結合している複数のスイッチ・コンタクト（２４５）と、前記複数のスイッチ・コンタクトと前記チャンバとに結合した複数の液体金属小滴（２３５）と、前記チャンバに結合した複数の薄膜（５１５）に結合する複数の圧電素子（２１５）と、を有する電気スイッチ用構造。
【００２２】
（実施態様２）：前記複数の薄膜は、対応する複数の開口部（５１０）に結合しており、前記複数の開口部の１つは、前記駆動液体の流速を増大させるべく動作可能なことを特徴とする実施態様１に記載の電気スイッチ用構造。
【００２３】
（実施態様３）：電気スイッチ（１０５）用の構造において、圧電基板層（１１０）と、前記圧電基板層に結合し、１つ又は複数の圧電駆動型押し出し素子（２２７）を有する駆動装置流体槽層（１２０）と、前記駆動装置流体槽層に結合し、前記１つ又は複数の圧電駆動型押し出し素子に結合する１つ又は複数の薄膜（５１５）を有する薄膜層（１３０）と、
前記薄膜層に結合する液体金属チャネル層（１４０）と、前記液体金属チャネル層に結合する回路基板層（１５０）と、前記液体金属チャネル層内に収容され、１つ又は複数のスイッチ・コンタクト（２４５）に結合する１つ又は複数の液体金属小滴（２３５）を有し、前記１つ又は複数の薄膜に結合している駆動液体充填チャンバ（２４０）と、を有することを特徴とする電気スイッチ用構造。
【００２４】
（実施態様４）：前記駆動装置流体槽層、圧電基板層、薄膜層、回路基板層、及び液体金属チャネル層は、ガラス、セラミック、複合材料、及びセミラック被覆材料の１つ又は複数から構成可能であることを特徴とする実施態様３に記載の電気スイッチ用構造。
【００２５】
（実施態様５）：前記駆動装置流体槽層は、該駆動装置流体槽層の槽（６１０）への駆動流体の充填に使用するべく動作可能な注入口（７１０）を更に有することを特徴とする実施態様３に記載の電気スイッチ用構造。
【００２６】
（実施態様６）：前記回路基板層は、前記１つ又は複数の圧電駆動型押し出し素子の中の１つ又は複数の作動によって生成された１つ又は複数の信号をルーティングするべく動作可能な複数の回路トレースと複数のパッドを更に有することを特徴とする実施態様３に記載の電気スイッチ用構造。
【００２７】
（実施態様７）：液体金属スイッチ（１０５）を使用して１つ又は複数の電気信号を電気的にスイッチングする方法において、圧電素子（２１５）を作動させる段階と、前記圧電素子の作動によって薄膜素子（５１５）を偏向させる段階と、前記薄膜素子の偏向によって駆動液体（２３０）の圧力を上昇させる段階と、前記駆動液体の圧力の上昇により、前記液体金属スイッチの第１コンタクト（２４５）と第２コンタクト（２４５）間の液体金属（２３５）による接続を切断する段階と、を有するスイッチング方法。
【００２８】
（実施態様８）：前記圧電素子は、該圧電素子の第１側部と、該第１側部の反対側に位置する第２側部と、に印加される電位の印加によって作動することを特徴とする実施態様７に記載のスイッチング方法。
【００２９】
（実施態様９）：前記液体金属による接続は、液体金属（２３５）と前記第１コンタクト及び前記第２コンタクト間の表面張力によって維持されることを特徴とする実施態様７に記載のスイッチング方法。
【００３０】
（実施態様１０）：開口部（５１０）を使用し、前記圧力の上昇によって発生する駆動液体の流速を増大させ、前記増大した流速が、前記液体金属による接続をより迅速に切断するべく動作可能であることを特徴とする実施態様７に記載のスイッチング方法。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチの側面図である。
【図２】本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチの断面図である。
【図３】本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチの回路基板層の平面図である。
【図４】本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチの液体金属チャネル層の平面図と断面図である。
【図５】本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチの薄膜層の平面図と断面図である。
【図６】本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチの駆動装置流体槽層の平面図と断面図である。
【図７】本発明の特定の実施例による押し出し式液体金属スイッチの圧電基板層の底面図と断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０５  液体金属スイッチ，電気スイッチ
１１０  圧電基板層
１２０  駆動装置流体槽層
１３０  薄膜層
１４０  液体金属チャネル層
１５０  回路基板層
２１５  圧電素子
２２７  圧電駆動型押し出し素子
２３０  駆動液体
２３５  液体金属小滴
２４０  駆動液体充填チャンバ
２４５  スイッチ・コンタクト
５１０  開口部、流体流制限部
５１５  薄膜
６１０  槽
７１０  注入口
【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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