(57)【要約】      （修正有）【課題】液体金属の接点を備えた高周波数圧電作動式ラッチングリレーアレイを提供する。【解決手段】第１の電気接点３１０と、第１の電気接点と接触する第１の導電性の液体の容量３１４と、第２の電気接点３０６と、第１の電気接点と第２の電気接点に近接して配置され、中に液体溜めが形成されている液体溜め支持構造３０４と、液体溜め内で第２の電気接点と接触する第２の導電性の液体の容量と、部分的に液体溜めの中で休止位置にあるアクチュエータ３０８とを備え、アクチュエータの膨張によって液体溜めの容量が減少するとともに第２の液体３１６が移動し、第１の導電性の液体３１４と第２の導電性の液体３１６の容量を合体させて、第１の電気接点と第２の電気接点の間の電気回路を接続させ、アクチュエータの収縮によって液体溜めの容量が増加し、第１の導電性の液体と第２の導電性の液体の容量が分離して切断している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング素子を備えた電気リレーアレイであって、前記複数のスイッチング素子の切り換えは、
濡らすことのできる表面を備えた第１の電気接点と、
前記第１の電気接点と濡れて接触する第１の導電性の液体の容量と、
前記第１の電気接点から離れた位置に配置され、濡らすことのできる表面を備えた第２の電気接点と、
前記第１の電気接点と前記第２の電気接点に近接して配置され、中に液体溜めが形成されている液体溜め支持構造と、
前記液体溜め内で前記第２の電気接点と濡れて接触する第２の導電性の液体の容量と、
少なくとも部分的に前記液体溜めの中で休止位置にあるアクチュエータと
を備え、
前記アクチュエータの膨張によって前記液体溜めの容量が減少するとともに前記第２の液体が移動し、これによって、前記第１の導電性の液体と前記第２の導電性の液体の容量を合体させて、前記第１の電気接点と前記第２の電気接点の間の電気回路を接続させ、前記アクチュエータの収縮によって前記液体溜めの容量が増加し、これによって、前記第１の導電性の液体と前記第２の導電性の液体の容量が分離して前記電気回路を切断している電気リレーアレイ。
【請求項２】
前記第１の電気接点と電気的に接続されている第１の信号導体と、
前記第２の電気接点と電気的に接続されている第２の信号導体と
を備えている、請求項１に記載の電気リレーアレイ。
【請求項３】
前記第２の信号導体は、前記液体溜め支持構造を備えている、請求項２に記載の電気リレーアレイ。
【請求項４】
前記第１の電気接点および前記第２の電気接点、並びに前記第１の信号導体および前記第２の信号導体を取り囲むグランドシールドと、
前記グランドシールドおよび前記第１の信号導体の間に配置され、前記第１の信号導体から前記グランドシールドを絶縁する第１の誘電体層と、
前記グランドシールドおよび前記第２の信号導体の間に配置され、前記第２の信号導体から前記グランドシールドを絶縁する第２の誘電体層と
を備えている、請求項２に記載の電気リレー。
【請求項５】
前記第１の電気接点が前記アクチュエータに取り付けられ、前記アクチュエータが膨張すると前記第１の電気接点が前記第２の電気接点に向かって移動し、前記アクチュエータが収縮すると前記第１の電気接点が前記第２の電気接点から離れるように移動するようになっている、請求項１に記載の電気リレーアレイ。
【請求項６】
前記アクチュエータが圧電アクチュエータまたは磁歪アクチュエータのうちの１つで構成されている、請求項１に記載の電気リレーアレイ。
【請求項７】
前記第１の導電性の液体の容量と前記第２の導電性の液体の容量が液体金属の容量であり、前記第１の導電性の液体の容量と前記第２の導電性の液体の容量の大きさは、前記アクチュエータが休止位置に戻っても合体した容量は合体したままであり、前記アクチュエータが休止位置に戻っても分離した容量は分離したままであるような大きさである、請求項１に記載の電気リレーアレイ。
【請求項８】
前記アクチュエータへの電気接続を支持する回路基板と、
キャップ層と、
前記回路基板と前記キャップ層との間に配置され、中にチャネルが形成されたスイッチング層と、
前記第１の電気接点に電気的に接続された第１の信号導体と、
前記第２の電気接点に電気的に接続された第２の信号導体と、
各リレー素子の前記第１の信号導体への電気接続を支持する第１のエンドキャップと、
各リレー素子の前記第２の信号導体への電気接続を支持する第２のエンドキャップと
をさらに備え、
前記第１の電気接点、前記第２の電気接点、および前記アクチュエータが前記チャネル内に配置されている、請求項１に記載の電気リレーアレイ。
【請求項９】
第１の接点と、リレーアレイ内の複数の第２の接点から選択された第２の接点の間の電気回路を接続させるために、前記第１の接点が第１の導電性の液体の液滴を支持し、前記複数の第２の接点の各々が第２の導電性の液体の液滴を支持する方法であって、
前記複数の第２の接点のうち選択されなかった第２の接点の各々については、
アクチュエータを第２の導電性の液体の溜めから引っ込め、前記第２の導電性の液体を前記液体溜めの中に引き入れ、前記第１の導電性の液体と前記第２の導電性の液体の液滴を分離させて前記電気回路を切断するために、アクチュエータに電圧を印加することと、
前記導電性の液体の液滴が分離した後に前記アクチュエータへの電圧を切断することとを具備し、
前記選択された第２の接点については、
前記アクチュエータを前記第２の導電性の液体の溜めに挿入し、これによって前記液体溜めから前記第２の導電性の液体を移動させて前記第１の導電性の液体と前記第２の導電性の液体の液滴を合体させ前記電気回路を接続させるために、前記アクチュエータに電圧を印加することと、
前記導電性の液体の液滴が合体した後に、前記アクチュエータの電圧を切断することと
を含む方法。
【請求項１０】
前記第１の接点が前記アクチュエータに取り付けられ、前記アクチュエータが前記液体溜め内に挿入された時に前記第２の接点に向かって移動し、前記アクチュエータが前記液体溜めから引っ込んだときに前記第２の接点から離れるように移動する、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気的な切り換えに用いられるマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）の分野に関し、より具体的には、液体金属の接点を備えた高周波数圧電作動式ラッチングリレーアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
水銀などの液体金属は、２つの導体間に電気的な経路を提供するための電気スイッチとして使用されている。このような例としては、水銀を利用したサーモスタットスイッチがある。この水銀を利用したサーモスタットスイッチは、二元金属で形成されたストリップコイルが温度に対して反応し、水銀を含む長いキャビティの角度を変えるようになっている。キャビティ内の水銀は、大きな表面張力により単一の液滴を形成している。水銀の液滴は、重力によって、電気接点を備えるキャビティの端に移動するか、または他の端に移動するようになっており、どちらに移動するかはキャビティの角度に依存している。手動の液体金属スイッチでは、永久磁石を使用してキャビティ内の水銀の液滴を移動させている。
【０００３】
液体金属は、リレー内にも使用されている。液体金属の液滴は、種々の技術で移動させることができ、その中には静電気力、および、温度による膨張／収縮で変化する幾何形状、磁気流体力学的力(magneto-hydrodynamic force)などが含まれる。
【０００４】
従来の圧電リレーは、ラッチング機構に接触するスイッチをラッチまたは他の方法で作動させるために、ラッチすることや圧電材料内の残留電荷を使用することがなかった。
【０００５】
高電流を急速に切り換えることは幅広いデバイス内で使用されているが、電流が中断するとアーク放電が起きるため、固体接点ベースのリレーには問題が起きる。このアーク放電により電極面に穴が開き、接点が壊れて導電性が低下してしまう。
【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素子として使用するマイクロスイッチが開発されている。このマイクロスイッチは、気体が加熱されたときの膨張を利用して液体金属を移動させ、これによりスイッチング機能を作動させている。液体金属は、他のマイクロマシン技術に対していくつかの利点を有している。その利点とは、スイッチ機構をマイクロ溶接またはオーバーヒートさせず、金属同士の接触を利用して、比較的高い電力（約１００ｍＷ）の切り替えができることなどである。しかしながら、加熱した気体を利用することには、いくつかの欠点がある。この欠点とは、スイッチの状態を変えるためには比較的大量のエネルギが必要であり、切り換えのデューティサイクルが高い場合、切り換えによって生成される熱を放散させなければならないことである。さらに、作動レートは比較的遅く、最大レートは数百ヘルツに限定されてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、スイッチング機構内で導電性の液体を使用する高周波数電気リレーアレイを提供する。リレーアレイ内の各リレー素子には、圧電素子などのアクチュエータを使用しており、各リレー素子はスイッチアクチュエータを静止スイッチ接点構造内のキャビティ内に挿入している。キャビティは、側面と端部の上にパッドとを備え、これらは導電性の液体によって濡らすことができる。キャビティは導電性の液体で満たされており、この導電性の液体は液体金属であってもよい。スイッチアクチュエータをキャビティ内に挿入すると、導電性の液体が外に押し出されるとともにスイッチアクチュエータ上の接点パッドと接触するようになる。導電性の液体の容量(volume)は、アクチュエータが休止（安定）位置に戻るときに選択されるようになっている。電気接触は、表面張力と、静止スイッチ接点構造およびアクチュエータの両方の上にある接点パッドが濡れることとによって維持されている。スイッチアクチュエータが静止スイッチ接点構造から引っ込むと、固定スイッチ接点構造内の導電性の液体の使用可能な容量が増加し、キャビティ内に導電性の液体が入ることと、スイッチアクチュエータ上の接点パッドが大半の導電性の液体から離れることとの組み合わせにより、固定接点パッドと移動接点パッドの間の導電性の液体の接続が切れることになる。スイッチアクチュエータが休止位置に戻ると、撹乱しないと空隙を埋める十分な導電性の液体がないので、接点は電気的に開いたままになる。アセンブリ内に導体を追加することによって高周波数機能が提供され、スイッチを同軸構造にするように作用している。リレーアレイはマイクロマシン製造技術によって製造するように修正が可能である。
【０００８】
本発明の新規と考えられる特徴を、付随する請求項に記載する。しかしながら、本発明は構成と動作方法のいずれに関しても、また、本発明の目的と利点に関しても、本発明の例示的な実施形態を記述する以下の詳細な説明を、付随する図面と共に参照することにより、最良に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は多くの異なる実施形態が可能であるが、以下に図面を示して１つまたは複数の実施形態を説明する。しかしながら、本開示は本発明の原理を例示するものにすぎず、本発明が図示されおよび説明された特定の実施形態に限定する意図はないことを理解されたい。次の説明では、いくつかの図面の中で同じ部分、または、同様な部分、対応する部分を説明するために同様な参照番号を使用している。
【００１０】
本発明のリレーアレイには、いくつかの電気スイッチング素子またはリレーが組み込まれている。各リレーには、液体金属などの導電性の液体が使用されている。この導電性の液体を使用することにより２つの電気接点の間の空隙を埋め、これによって、接点間の電気回路を接続（完成）している。各リレーには、圧電素子などのアクチュエータを使用し、スイッチアクチュエータが固定スイッチ接点構造内のキャビティに挿入できるようにしている。固定スイッチ接点構造内のキャビティは、側面と、端面の上にパッドを備え、これらは導電性の液体によって濡らすことができるようになっている。固定スイッチ接点構造内のキャビティは、導電性の液体で満たされている。アクチュエータを固定スイッチ接点構造内のキャビティ内に挿入すると導電性の液体は外側に押し出され、アクチュエータ上の接点パッドと接触する。アクチュエータが休止位置に戻ると、表面張力と、静止スイッチ接点構造とアクチュエータの両方の上にある接点パッドが濡れることで電気接触が維持されるように、導電性の液体の容量を選択する。スイッチアクチュエータが引っ込んで静止スイッチ接点構造から離れると、固定スイッチ接点構造内の導電性の液体の使用可能な容量は増加し、導電性の液体が固定スイッチ接点構造内のキャビティ内に入ることと、スイッチアクチュエータ上の接点パッドが導電性の液体の大半から離れることが組み合わされて、固定接点パッドと移動接点パッドの間の導電性の液体の接続が切れる。スイッチアクチュエータが休止位置に戻ると、攪拌されない限り空隙を埋める十分な導電性の液体がないので、接点は電気的に開いたままである。アセンブリ内に導体を追加することによって高周波数機能が提供され、スイッチを同軸構造にするように作用する。
【００１１】
例としての実施形態では、導電性の液体は高い導電性、低い揮発性、および大きな表面張力を有する水銀などの液体金属である。アクチュエータは圧電アクチュエータであるが、磁歪アクチュエータなどの他のアクチュエータも使用できる。この後、圧電アクチュエータと磁歪アクチュエータは集合的に「圧電アクチュエータ」と呼ぶ。
【００１２】
一つの実施形態では、アレイは１つまたは複数のスタックされたレベルを有し、各レベルには１つまたは複数のリレーが並んで配置されている。このようにして、四角形のグリッドのリレーが形成されている。図１は、本発明の実施の形態に係るラッチングリレーの一例を示す図である。図１を参照すると、リレー１００は２つのレベルを有している。下側のレベルは、下側のキャップ層１０２、スイッチング層１０４、および上側のキャップ層１０６を備えている。上側のレベルも同様な構造であり、下側のキャップ層１０８、スイッチング層１１０、および上側のキャップ層１１２を備えている。下側のキャップ層１０２および１０８は、スイッチング層内の素子への電気接触を支持しており、スイッチング層に下側のキャップを提供している。電気的な接続は、エンドキャップ１１４および１１６にルーティングされ、エンドキャップ１１４および１１６は、追加の回路ルーティングを提供し、リレーアレイに相互接続を提供している。回路層１０２および１０８は、たとえばセラミックまたはシリコンで作成してもよく、マイクロエレクトロニクスデバイスを製造する際に使用するようなマイクロマシン製造技術で製造するように修正することができる。スイッチング層１０４および１１０は、たとえばセラミックまたはガラスで作成してもよいし、または、絶縁層（セラミックなど）でコーティングされた金属で作成してもよい。
【００１３】
図２は、図１に示されているリレーアレイのエンドキャップを除去した端面図である。図２を参照すると、３つのチャネルがスイッチング層１０４および１１０をそれぞれ貫通している。各チャネルの一端は信号導体１１８を備え、リレーのスイッチ接点のうちの１つに電気的に接続されている。状況に応じては、グランドシールド１２０で各スイッチングチャネルを取り囲んでいてもよい。グランドシールド１２０は、誘電体層１２２で信号導体１１８から絶縁されている。一つの例としての実施形態では、グランドシールド１２０は、トレースとして形成されており、このトレースは、部分的に上側のキャップ層１０６および１１２の下側と、下側のキャップ層１０２および１０８の上側に積層されている。上側のキャップ層１０６および１１２は、それぞれスイッチング層１０４および１１０を覆うことにより密封している。上側のキャップ層１０６および１１２は、たとえばセラミック、ガラス、金属、ポリマ、またはこれらの材料の組み合わせで作成することができる。ガラス、セラミック、または金属を例としての実施形態に使用して溶接密閉を提供することができる。
【００１４】
図３は、本発明のラッチングリレーアレイ１００の１つの実施形態の断面図であり、図２の３−３線に沿って切断したものである。図３の下側のレベルでは、スイッチング層にスイッチングキャビティ３０２が内蔵されている。スイッチングキャビティ３０２は、不活性ガスで満たしていてもよい。信号導体３０４は、スイッチング層を介してチャネルの一端部を構成している。信号導体３０４は、誘電体層１２４でグランド導体１２０から絶縁されている。固定電気接点３０６は、信号導体３０４の端に取り付けられている。固定電気接点３０６の一部は凹面であり、信号導体３０４の端部の中のキャビティの内側を覆っている。他の一部は信号導体３０４の内側の端のパッドカバー部分を形成している。別の実施形態では、液体溜め(well)を固定電気接点３０６から分離された、近接した位置に配置している。液体溜めは、信号導体３０４以外の構造内に形成してもよい。アクチュエータ３０８の１端は、信号導体１１８に取り付けられ、他の端は固定接点３０６の凹面部に突出している。移動可能な電気接点３１０がアクチュエータ３０８に取り付けられている。動作においては、アクチュエータ３０８の長さを伸縮させて、移動可能電気接点３１０を固定電気接点３０６に向かって移動したり接点３０６から離すように移動させている。例としての実施形態では、アクチュエータは圧電アクチュエータを含んでいる。移動可能接点３１０は、アクチュエータ３０８上の導電コーティングとして形成することができ、この場合、接点３１２は、接点３１０に続いた(continuation)部分となる。別法としては、接点３１２をアクチュエータの片側に配置し、接点３１０を別の側に配置してアクチュエータが曲がることを低減してもよい。別の実施形態では、接点３１２を省略している。静止電気接点と移動可能電気接点３１０の表面は、導電性の液体で濡らすことができる。動作においては、移動可能接点３１０は、液体の表面張力でその場にとどまっている導電性の液体３１４の液滴を支持している。液滴３１４が小さいので、表面張力は液滴上の実質に働く力(body force)より勝り、液滴はその場にとどまることになる。固定接点３０６の凹面部は、液体溜めを形成し、液体溜めは導電性の液体３１６で満たされている。液体３１６は、接点３０６のパッド部分も濡らしている。移動可能接点３１０は、非ウェットコーティング３１８で部分的にコーティングされ、導電性の液体３１４が接点に沿って移動することを防止している。信号導体１１８は、誘電体層１２２によってグランド導体１２０から絶縁されており、信号導体３０４は誘電体層１２４でグランド導体１２０から絶縁されている。
【００１５】
図３にはエンドキャップ１１６も示されている。エンドキャップ１１６は、信号導体１１８と接触可能なように回路３２２を支持しており、そして回路３２４がグランドシールド１２０と接触することを可能にしている。これらの回路はエンドキャップの縁または外面につながり、リレーの外部接触を可能にしている。同様な回路が設けられ、リレーアレイ内の各リレーの接続を可能にしている。
【００１６】
図４は、図１に示されたラッチングリレーを４−４線に沿って切断した断面図である。図４を参照すると、静止接点３０６は、信号導体３０４内のキャビティの内側を覆い、液体溜めを形成している。導電性の液体３１６は液体溜め内にあり、表面張力によってその場にとどまっている。グランド導体１２０は、信号導体３０４と静止接点３０６を囲んでいる。これによってリレーの高周波数スイッチングが促進されることになる。
【００１７】
図５の断面図に示されるように、リレーを介した電気回路は、アクチュエータに電圧を印加し、アクチュエータを導電性の液体溜めに延ばす（膨張する、拡張する）ことによって接続される。図５を参照すると、アクチュエータ３０８は、静止接点３０６の凹面部の導電性の液体が内在している液体溜め内に延びている。同時に、移動可能接点３１０が静止接点に近づいている。アクチュエータを液体溜めに挿入すると、導電性の液体の一部が液体溜めから外に出て、静止接点３０６と移動可能接点３１０の間の空隙を埋めるようになる。これによって単一の容量の導電性の液体３１４が形成されることになる。導電性の液体３１４は信号導体１１８と３０４の間の電気回路を完成させている。
【００１８】
回路が完成すると、アクチュエータ３０６に印加された電圧が切断され、アクチュエータ３０６は液体溜めから引っ込む。導電性の液体の容量と接点間の間隔は、図６に示されるように導電性の液体が接点間の空隙を埋め続けるような容量および間隔になっている。接点間の電気回路は完成した状態のまま維持され、リレーがラッチされることになる。
【００１９】
接点間の電気回路を切断するには、アクチュエータ３０６の逆方向に電圧を印加し、アクチュエータを縮める（収縮する）。アクチュエータ３０６は液体溜めから引っ込み、移動可能接点３１０は静止接点から離れるように移動する。導電性の液体３１４は液体溜め内に戻される。表面張力結合は導電性の液体を単一の容量に維持するには不十分なので、液体は２つの容量に分かれる。この方法で、電気回路が切断される。アクチュエータ３０６に再び電圧を印加すると、空隙の間を埋める十分な液体がないため、図３に示されるように回路は開いたままである。
【００２０】
別の実施形態では、両方の電気接点が固定され、アクチュエータは、導電性の液体が電気接点の間の空隙を埋めるように導電性の液体を液体溜めから移動させるように動作している。
【００２１】
アクチュエータが拡張モードで動作する動作について説明したが、固定接点のキャビティ内に挿入されたアクチュエータの一部の容量が変化するという結果になる他の拡張モード(extension mode)を使用することもできる。
【００２２】
融通性のある非接触電気接続を形成するために、表面張力が大きい水銀などの液体金属を使用すると、リレーに高電流機能が備わり、局所的な加熱によって穴が開いたり酸素がたまることが避けられる。グランド導体は、信号経路を囲むシールドを提供し、高周波数スイッチングを促進する。
【００２３】
図７は上側のキャップ層１０６の下面の図である。上側のキャップ層１０６は、スイッチング層内のチャネルを密閉している。スイッチング層内の各スイッチングチャネルにそれぞれ１つあるグランドトレース７０２は、上側のキャップ層の表面上に堆積し、信号導体とスイッチング機構と同軸であるグランドシールドの片側を形成している。同様なグランドトレースを下側のキャップ層の上面にも堆積している。
【００２４】
図８は、本発明の別の実施形態の図である。図８には、レベルごとに５つのスイッチング素子を備えた５レベルのリレーアレイ１００が示されている。明確に示すために、アレイ本体８００のレベルの詳細は省略する。第１のエンドキャップ１１４は、回路８０６を支持し、第１の信号導体（図示せず）への接続を可能にしている。第２のエンドキャップ１１６は、回路３２２を支持し、第２の信号導体への接続を可能にしている。追加の回路（図示せず）は、入力信号８０２の接続回路３２２への接続と、回路８０６の出力８０４への接続を可能にしている。この実施形態では、１つの入力信号がアレイの各レベル（row）に提供され、１つの出力信号がアレイの各コラムに提供されている。アレイの素子により、任意の入力信号が任意の出力に結合することができる。アレイはマトリックス信号回線多重化装置(multiplexer)として機能する。
【００２５】
例としての実施形態では、静止接点構造、アクチュエータ上の導電コーティング、信号導体は、インピーダンスの不一致を最小にする最良の性能のために同様な外径を有している。
【００２６】
本発明を特定の実施形態に関して説明したが、当業者であれば上記の説明に照らして多くの代替例、修正例、置き換え例、変形例が明らかであろう。したがって、本発明は、このような代替例、修正例、変形例も付随する請求項の範囲内に包含することを目的としたものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の所定の実施形態と一致するラッチングリレーアレイの例としての実施形態の図である。
【図２】本発明の所定の実施形態と一致するラッチングリレーアレイの端面図である。
【図３】本発明の所定の実施形態と一致するラッチングリレーアレイの断面図である。
【図４】本発明の所定の実施形態と一致するラッチングリレーアレイの別の断面図である。
【図５】本発明の所定の実施形態と一致する、スイッチが閉じた状態のラッチングリレーアレイの断面図である。
【図６】本発明の所定の実施形態と一致する、スイッチが閉じた状態のラッチングリレーアレイのスイッチング層の別の図である。
【図７】本発明の所定の実施形態と一致するラッチングリレーアレイのキャップ層の図である。
【図８】本発明の所定の実施形態と一致するラッチングリレーアレイを使用したマトリックスマルチプレクサの図である。
【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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