(57)【要約】【課題】スイッチング機構に導電性液体を用いる高周波の電気リレーの提供。【解決手段】リレーは、圧電素子のようなアクチュエータ(122)を使用し、それによりスイッチアクチュエータを静止接触子構造体(114)のキャビティ内に挿入する。キャビティは、導電性液体(132)によって濡れる、側面、及びその端部のパッドを有する。キャビティは、液体金属のような導電性液体で充填される。スイッチアクチュエータ(122)をキャビティに挿入することにより、導電性液体が外側に押しのけられ、スイッチアクチュエータ(122)の接触パッド(124)に接触する。導電性液体の量は、アクチュエータがその休止位置に戻った時、電気接触子が、表面張力によって、及び静止スイッチ接触子構造体とアクチュエータの両方の接触パッドを濡らすことによって、保持されるように選択される。リレーは、微細加工技術による製造に適している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気リレー（１００）であって、
濡れる表面を有する第１の電気接触子（１２４）と、
内部に形成された液体ウエルを有し、前記第１の電気接触子（１２４）に非常に接近している液体ウエル支持構造体（１１４）と、
少なくとも部分的に前記液体ウエルを覆い、濡れる表面を有する第２の電気接触子（１３０）と、
前記第１の電気接触子（１２４）と濡れ接触した第１の導電性液体の塊（１３４）と、
前記第２の電気接触子（１３０）と濡れ接触した、前記液体ウエル内にある第２の導電性液体の塊（１３２）と、及び
前記液体ウエル内に少なくとも部分的に休止位置を有するアクチュエータ（１２２）とを備え、
前記アクチュエータ（１２２）が伸長すると、前記液体ウエルの容積が減少し、前記第２の液体の塊が押しのけられ、その結果、前記第１の導電性液体の塊（１３４）と前記第２の導電性液体の塊（１３２）が合体し、前記第１の電気接触子（１２４）と前記第２の電気接触子（１３０）との間に電気回路が完成し、前記アクチュエータ（１２２）が収縮すると、前記液体ウエルの容積が増大し、その結果、前記第１の導電性液体の塊（１３４）と前記第２の導電性液体の塊（１３２）が分離して、前記電気回路が遮断される、電気リレー（１００）。
【請求項２】
前記第１の電気接触子（１２４）に電気的に結合された第１の信号導体（１０８）と、及び
前記第２の電気接触子（１３０）に電気的に結合された第２の信号導体（１１４）とをさらに含む、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項３】
前記第２の信号導体（１１４）が、前記液体ウエル支持構造体を提供する、請求項２に記載の電気リレー。
【請求項４】
前記第１の電気接触子（１２４）及び前記第２の電気接触子（１３０）と、前記第１の信号導体（１０８）及び前記第２の信号導体（１１４）とを包囲する接地シールド（１１０）と、
前記接地シールド（１１０）と前記第１の信号導体（１０８）との間に配置され、前記第１の信号導体から前記接地シールドを電気的に絶縁する第１の誘電体層（１１２）と、及び
前記接地シールド（１１０）と前記第２の信号導体（１１４）との間に配置され、前記第２の信号導体から前記接地シールドを電気的に絶縁する第２の誘電体層（１１６）とをさらに含む、請求項２に記載の電気リレー（１００）。
【請求項５】
前記第１の電気接触子（１２４）が前記アクチュエータ（１２２）に取り付けられる、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項６】
前記アクチュエータ（１２２）が、圧電アクチュエータと磁歪アクチュエータの一方からなる、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項７】
前記第１の導電性液体の塊（１３４）及び前記第２の導電性液体の塊（１３２）が、液体金属の塊であり、前記アクチュエータがその休止位置に戻った時、合体した導電性液体の塊（１４０）は、合体した状態を維持し、前記アクチュエータがその休止位置に戻った時、分離した導電性液体の塊は、分離した状態を維持するようなサイズになっている、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項８】
前記第１の電気接触子（１２４）を部分的に覆い、前記第１の電気接触子（１２４）に沿った前記第１の導電性液体の塊（１３４）の移動を阻止するための濡れないコーティング（１２８）をさらに含む、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項９】
前記アクチュエータ（１２２）に対する電気接続を支持する回路基板（１０２）と、
キャップ層（１０６）と、及び
前記回路基板（１０２）と前記キャップ層（１０６）との間に配置され、内部に形成されたチャネル（１２０）を有するスイッチング層（１０４）とをさらに含み、
前記第１の電気接触子（１２４）及び前記第２の電気接触子（１３０）と、前記アクチュエータ（１２２）とが、前記チャネル（１２０）内に配置されている、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項１０】
リレー（１００）において、第１の導電性液体の塊（１３４）を支持する第１の接触子（１２４）と液体ウエル内に少なくも部分的に収容された第２の導電性液体の塊（１３２）を支持する第２の接触子（１３０）との間で電気回路をスイッチングするための方法であって、
前記電気回路を完成すべき場合には、
前記液体内に挿入されたアクチュエータ（１２２）を付勢して、前記アクチュエータを伸長させ、前記第２の導電性液体の塊（１３２）を押しのけて、前記第１の導電性液体の塊（１３４）と前記第２の導電性液体の塊（１３２）を合体させ（１４０）、前記電気回路を完成するようにするステップと、及び
前記電気回路を遮断すべき場合には、
前記アクチュエータ（１２２）を付勢して、前記アクチュエータを収縮させ、導電性液体を前記液体ウエルに引き込むことによって、前記第１の導電性液体の塊（１３４）と前記第２の導電性液体の塊（１３２）とを分離させ、前記電気回路を遮断するようにするステップとを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気スイッチングのための微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の分野に関し、とりわけ、液体金属接触子を有する高周波の圧電作動式ラッチングリレーに関する。
【背景技術】
【０００２】
水銀などの液体金属は、２つの導体間に電気経路を提供するために電気スイッチに使用されてきた。一例は、バイメタルストリップコイルが温度に反応して、水銀を含む細長いキャビティの角度を変更する水銀サーモスタットスイッチである。キャビティ内の水銀は、大きい表面張力により単一の小滴を形成する。重力は、キャビティの角度に応じて電気接触子を含むキャビティの端部、または他方の端部に水銀の小滴を移動させる。手動の液体金属スイッチの場合、永久磁石を使用してキャビティ内の水銀の小滴を移動させる。
【０００３】
また、液体金属は、リレーにも使用される。液体金属の小滴は、静電力、熱膨張／収縮による可変の幾何学的形状、及び磁気流体力学的力を含む種々の技術により移動させることができる。
【０００４】
従来の圧電リレーは、ラッチしないか、または圧電材料内の残留電荷を使用してラッチング機構に接触するスイッチをラッチまたは代わりに付勢することはなかった。
【０００５】
高電流の急速なスイッチングは、多種多様な装置に使用されるが、電流が分断した時のアーク放電により、固体接触子を用いたリレーには問題となる。アーク放電により接触子が損傷し、電極表面の点蝕によりそれらの導電性が劣化する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
液体金属をスイッチング要素として使用し、加熱時のガスの膨張を使用して、液体金属を移動させて、スイッチング機能を作動させるマイクロスイッチが開発された。液体金属は、他の微細加工技術より優れたいくつかの利点を有し、たとえば、金属対金属接触子を使用して、スイッチング機構を微細溶接または過熱せずに、比較的高い電力（約１００ｍＷ）をスイッチングする能力が挙げられる。しかしながら、加熱されたガスの使用にはいくつかの欠点がある。それは、スイッチの状態を変更するために比較的多量のエネルギーを必要とし、スイッチングによって生じる熱は、スイッチングの負荷サイクルが高い場合、効果的に散逸させる必要がある。さらに、作動速度が比較的遅く、最大速度は数百Ｈｚに制限される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
スイッチング機構に導電性液体を用いる高周波の電気リレーが開示される。リレーは、圧電素子のようなアクチュエータを使用し、それによりこのスイッチアクチュエータを静止しているスイッチ接触子構造体（以降、静止スイッチ接触子構造体または固定スイッチ接触子構造体と称する）のキャビティ内に挿入する。キャビティは、導電性液体によって濡れる、側面、及びその端部のパッドを有する。キャビティは、液体金属とすることができる導電性液体で充填される。スイッチアクチュエータをキャビティに挿入することにより、導電性液体が外側に押しのけられ、スイッチアクチュエータの接触パッドに接触する。導電性液体の量は、アクチュエータがその休止位置に戻った時、電気接触子が、表面張力によって、及び静止スイッチ接触子構造体とアクチュエータの両方の接触パッドを濡らすことによって、保持されるように選択される。スイッチアクチュエータが、静止スイッチ接触子構造体から後退して離れると、固定スイッチ接触子構造体内の導電性液体に利用可能な容積が増大し、導電性液体がキャビティ内に浸入することと、スイッチアクチュエータの接触パッドが導電性液体の大部分から離れることとの連係により、固定接触パッドと移動接触パッドとの間の導電性液体の接続が切断される。スイッチアクチュエータがその休止位置に戻ると、導電性液体が、乱されることなく、ギャップを埋めるほど十分には存在しないので、接触子は電気的に開いた状態を維持する。高周波の能力は、スイッチを同軸構造にする働きをする、アセンブリ内の追加導体によって提供される。リレーは、微細加工技術による製造に適している。
【０００８】
新規であ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特に記載される。しかしながら、本発明自体は、添付図面に関連してなされる、本発明の特定の例示的な実施形態を説明する以下の本発明の詳細な説明を参照することによって、その目的及び利点と共に、構成及び動作方法の両方に関して、最もよく理解され得る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、フレキシブルな非接触型の電気接続を形成するために大きい表面張力を有する水銀または他の液体金属を使用することにより、局所的加熱によって生じる点蝕及び酸化物の蓄積を回避する、高電流能力を有するリレーが実現できる。接地導体によって、信号経路を包囲するシールドが提供され、高周波スイッチングも容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、多くの異なる形態の実施形態が可能であるが、１つまたは複数の特定の実施形態が図面に示され、本明細書で詳細に説明される。本発明の開示は、本発明の原理の一例として考えられるべきであり、図示及び説明された特定の実施形態に本発明を限定する意図はないことを理解すべきである。以下の説明では、いくつかの図面において、類似の参照符号を用いて、同じ部品、類似の部品または対応する部品を説明する。
【００１１】
本発明の電気リレーは、液体金属のような導電性液体を用いて、２つの電気接触子間のギャップを埋め、それによって接触子間の電気回路を完成する。このリレーは、圧電素子のようなアクチュエータを使用し、このスイッチアクチュエータを固定スイッチ接触子構造体のキャビティ内に挿入する。キャビティは、導電性液体によって濡れる、側面、及びその端部のパッドを有する。キャビティは、導電性液体で充填される。アクチュエータをキャビティに挿入することにより、導電性液体が外側に押しのけられ、アクチュエータの接触パッドに接触する。導電性液体の量は、アクチュエータがその休止位置に戻った時、電気接触子が、表面張力によって、及び静止スイッチ接触子構造体とアクチュエータの両方の接触パッドを濡らすことによって、保持されるように選択される。スイッチアクチュエータが、静止スイッチ接触子構造体から後退して離れると、固定スイッチ接触子構造体内の導電性液体に利用可能な容積が増大し、導電性液体がキャビティ内に浸入することと、スイッチアクチュエータの接触パッドが導電性液体の大部分から離れることとの連係により、固定接触パッドと移動接触パッドとの間の導電性液体の接続が切断される。スイッチアクチュエータが、その休止位置に戻ると、導電性液体が、乱されることなく、ギャップを埋めるほど十分には存在しないので、接触子は電気的に開いた状態を維持する。高周波の能力は、スイッチを同軸構造にする働きをする、アセンブリ内の追加導体によって提供される。
【００１２】
例示的な実施形態において、導電性液体は好適には、高い導電率、低い揮発性、及び大きい表面張力を有する、水銀のような液体金属である。アクチュエータは、圧電アクチュエータが好ましいが、磁歪アクチュエータのような他のアクチュエータを使用することもできる。以下では、圧電及び磁歪は、「圧電」と総称することにする。
【００１３】
図１は、本発明のラッチングリレーの実施形態に関する図である。図１を参照すると、リレー１００には、３つの層、即ち、回路層１０２、スイッチング層１０４、及びキャップ層１０６が含まれる。回路層１０２は、スイッチング層の素子に対する電気接続を支持し、スイッチング層に対する下部のキャップを提供する。回路層１０２は、例えば、セラミックまたはシリコンから作成されることができ、超小型電子装置の製造に用いられるような、微細加工技術による製造に適している。スイッチング層１０４は、例えば、セラミックまたはガラスから作成されることができ、あるいは絶縁層（セラミックのような）でコーティングされた金属から作成され得る。チャネルがスイッチング層を貫通する。スイッチング層のチャネルの一方の端部には、リレーのスイッチ接触子の一方に電気的に結合された信号導体１０８がある。必要に応じて、接地導体１１０がスイッチング素子を包囲する。信号導体１０８は、信号導体を包囲する誘電体層１１２によって接地導体から電気的に絶縁される。例示的な実施形態において、接地導体１１０は、回路基板の上側、及びキャップ層１０６の下側に付着されたトレースから部分的に形成される。接地導体の残りは、スイッチング層の基板に固定される。キャップ層１０６は、スイッチング層１０４の上部を覆って封止する。キャップ層１０６は、例えば、セラミック、ガラス、金属、またはポリマ、あるいはこれらの材料の組合せから作成され得る。ガラス、セラミック、または金属を用いて、ハーメチックシールを提供することが好ましい。
【００１４】
図２は、本発明のラッチングリレー１００の一実施形態に関する断面図である。断面は図１の２−２により示される。図２を参照すると、スイッチング層には、スイッチングキャビティ１２０が組み込まれる。キャビティは、不活性ガスで充填され得る。信号導体１１４が、スイッチング層を通るチャネルの一方の端部を占有する。信号導体１１４は、誘電体層１１６によって、接地導体１１０から電気的に絶縁される。信号導体の端部には、固定電気接触子１３０が取り付けられる。固定電気接触子１３０の一部は、窪んでおり、信号導体１１４の端部にあるキャビティを覆う。別の部分は、信号導体１１４の内側端部の一部を覆うパッドを形成する。アクチュエータ１２２の一方の端部は、信号導体１０８に取り付けられているが、他方の端部は、固定接触子１３０の凹部内に突出する。可動電気接触子１２４は、アクチュエータに取り付けられる。動作時、アクチュエータ１２２の長さを増減させることによって、可動電気接触子１２４が、固定電気接触子１３０の方へ移動するか、または固定電気接触子１３０から離れるように移動する。例示的な実施形態において、アクチュエータは好適には、圧電アクチュエータを含む。可動接触子１２４は、アクチュエータ上の導電性コーティングとして形成されることができ、その場合、接触子１２６は、接触子１２４の延長部分になる。代案として、接触子１２４は、アクチュエータの一方の側に配置され、接触子１２６は、アクチュエータの撓みを低減するために、他方の側に配置され得る。さらに別の実施形態では、接触子１２６が省略される。静止電気接触子（固定電気接触子）及び可動電気接触子の表面は、導電性液体により濡れる。動作時、可動接触子１２４は、液体の表面張力によって所定位置に保持された導電性液体の小滴１３４を支持する。小滴１３４の小さいサイズに起因して、表面張力が小滴の体積力より優勢であるので、小滴は所定位置に保持される。固定接触子１３０の凹部は、導電性液体１３２で充填された液体ウエルを形成する。液体１３２も、接触子１３０のパッド部分を濡らす。可動接触子１２４は、接触子に沿った導電性液体の移動を阻止するために、濡れないコーティング１２８で部分的にコーティングされる。信号導体１０８は、誘電体層１１２によって接地導体１１０から電気的に絶縁される一方で、信号導体１１４は、誘電体層１１６によって接地導体１１０から電気的に絶縁される。
【００１５】
図３は、ラッチングリレー１００の上面図である。破線は、隠れた構造を示す。１１４と１０８は、信号導体である。１２２は、スイッチングキャビティ１２０内の圧電アクチュエータである。断面４−４と断面５−５はそれぞれ、図４と図５に示される。
【００１６】
図４は、図３に示されたラッチングリレーの断面４−４に沿った断面図である。この図には、３つの層、即ち、回路層１０２、スイッチング層１０４、及びキャップ層１０６が示される。静止接触子１３０は、信号導体１１４のキャビティの内側を覆い、液体ウエルを形成する。導電性液体１３２は、液体ウエルに収容され、表面張力によって所定位置に保持される。接地導体１１０は、信号導体１１４及び静止接触子１３０を包囲する。これによって、リレーによる高周波信号のスイッチングが容易になる。
【００１７】
図５は、図３に示されるラッチングリレーの断面５−５に沿った断面図である。この図には、３つの層、即ち、回路層１０２、スイッチング層１０４、及びキャップ層１０６が示される。アクチュエータ１２２は、スイッチングキャビティ１２０内に配置される。スイッチングキャビティ１２０は、回路層１０２によって下方が封止され、キャップ層１０６によって上方が封止される。接地導体１１０は、アクチュエータ１２２及び可動接触子１２４を包囲する。これによって、リレーの高周波スイッチングが容易になる。濡れないコーティング１２８によって、可動接触子１２４が覆われ、接触子に沿った導電性液体の移動が阻止される。
【００１８】
リレーを介した電気回路は、アクチュエータを付勢して、図６の断面図に示されるように、アクチュエータを導電性液体のウエル内に伸ばすことによって完成される。図６を参照すると、アクチュエータ１２２が、静止接触子１３０の凹部に収容された導電性液体の液体ウエル内に伸びている。同時に、可動接触子１２４は、固定接触子に近づけられている。アクチュエータを液体ウエル内に挿入すると、液体ウエルから導電性液体の一部が押し出され、それにより静止接触子１３０と可動接触子１２４との間のギャップが埋められる。これにより、導電性液体の単一の塊１４０が形成される。この導電性液体１４０によって、信号導体１０８と１１４との間に電気回路が完成する。
【００１９】
回路が完成すると、アクチュエータ１２２が消勢されて、液体ウエルから後退する。導電性液体の量及び接触子間の間隔は、図７に示されるように、導電性液体によって、接触子間のギャップが引き続き埋まるようになっている。接触子間の電気回路は、完成した状態を維持し、そのためリレーはラッチされている。
【００２０】
接触子間の電気回路を遮断するためには、アクチュエータの長さを縮めるようにアクチュエータを逆方向に付勢する。アクチュエータは、液体ウエルから後退し、可動接触子は、静止接触子から遠くに離れるように移動する。導電性液体は、液体ウエルに引き戻される。表面張力の結合は、単一の塊をなす導電性液体を保持するのに不十分であり、そのため液体は２つの塊に分離する。このようにして、電気回路が遮断される。アクチュエータを再び消勢すると、液体はギャップを埋めるのに不十分であるので、電気回路は、図２に示されるように開いた状態を維持する。
【００２１】
さらに別の実施形態では、電気接触子が両方とも固定されており、アクチュエータは、液体ウエルから導電性液体を押しのけて、導電性液体によって電気接触子間のギャップが埋められるように動作する。
【００２２】
伸長モードで動作するアクチュエータを説明してきたが、結果としてアクチュエータの容積を変化させることになる他の動作モードを使用することもできる。
【００２３】
フレキシブルな非接触型の電気接続を形成するために大きい表面張力を有する水銀または他の液体金属を使用することにより、局所的加熱によって生じる点蝕及び酸化物の蓄積を回避する、高電流能力を有するリレーが結果として得られる。接地導体によって、信号経路を包囲するシールドが提供され、高周波スイッチングが容易になる。
【００２４】
図８は、キャップ層１０６の内部表面の図である。キャップ層１０６は、スイッチング層のチャネルにシールを提供する。接地トレース１４２が、キャップ層の表面に付着されて、信号導体及びスイッチング機構と同軸をなす、接地導体の一方の側を形成する（図１の１１０）。同様の接地トレースが回路層の内部表面に付着される。
【００２５】
例示的な実施形態において、静止接触子構造体、アクチュエータの導電性コーティング、及び信号導体は、インピーダンスの不整合を最小限に抑えるように、最良の電気的性能のために同様の外のり寸法を有することが好ましい。
【００２６】
本発明は、特定の実施形態に関連して説明されたが、上記の説明に鑑みて当業者には、、多くの代案、修正、置換及び変形が明らかになることは明白である。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれるこうしたすべての代案、修正及び変形を含むことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の特定の実施形態によるラッチングリレーの端面図である。
【図２】本発明の特定の実施形態によるスイッチの開いた状態におけるラッチングリレーの断面図である。
【図３】本発明の特定の実施形態によるラッチングリレーの上面図である。
【図４】本発明の特定の実施形態によるラッチングリレーのさらに別の断面図である。
【図５】本発明の特定の実施形態によるラッチングリレーのさらに別の断面図である。
【図６】本発明の特定の実施形態によるスイッチの閉じた状態におけるラッチングリレーの断面図である。
【図７】本発明の特定の実施形態による、スイッチの閉じた、及びラッチされた状態におけるラッチングリレーの断面図である。
【図８】本発明の特定の実施形態によるラッチングリレーのキャップ層の図である。
【符号の説明】
【００２８】
100  ラッチングリレー
102  回路層
104  スイッチング層
106  キャップ層
108、114  信号導体
110  接地導体
112、116  誘電体層
120  チャネル
122  アクチュエータ
124  可動電気接触子
128  濡れないコーティング
130  固定電気接触子
132、134  導電性液体
140  合体した導電性液体
【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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