(57)【要約】【課題】スイッチング機構に導電性液体(130,132,140)を使用する電気リレーの提供。【解決手段】2つの電気接触子(110,112)は、わずかな距離だけ離れて保持される。接触子の互いに向かい合う表面はそれぞれ、液体金属などの導電性液体の小滴(130,132)を支持する。圧電アクチュエータ(114又は116)は付勢されて電気接触子間のギャップを減少させ、それにより２つの液体金属の小滴が合体して電気回路を形成する。次に、圧電アクチュエータ(114)は消勢されて、電気接触子はそれらの開始位置に戻る。液体金属の小滴は、表面張力により合体した状態を維持する。電気回路は、圧電アクチュエータ(114又は116)を付勢して電気接触子間のギャップを広げ、液体金属の小滴間の表面張力結合を切断することにより遮断される。小滴は、圧電アクチュエータが消勢されると、接触子間のギャップを架橋するための液体金属が不十分であるので、分離された状態を維持する。【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（１１０）と、
前記第１の電気接触子（１１０）と濡れ接触する第１の導電性液体の小滴（１３０）と、
前記第１の電気接触子（１１０）から間隔をおいて配置され、前記第１の電気接触子の濡れる表面に面した濡れる表面を有する第２の電気接触子（１１２）と、
前記第２の電気接触子（１１２）と濡れ接触する第２の導電性液体の小滴（１３２）と、
休止位置において、前記第１の電気接触子（１１０）に結合され、前記第１の電気接触子を前記第２の電気接触子（１１２）の方へ移動させ、前記第１および第２の導電性液体の小滴（１３０、１３２）を合体（１４０）して、前記第１および第２の電気接触子間に電気回路を完成し、および前記第１の電気接触子を前記第２の電気接触子（１１２）から離れるように移動させ、前記第１および第２の導電性液体の小滴（１３０、１３２）を分離して、前記電気回路を遮断するように動作可能である第１のアクチュエータ（１１４）とを備える、電気リレー（１００）。
【請求項２】
前記第１のアクチュエータ（１１４）が、圧電アクチュエータおよび磁歪アクチュエータのいずれかである、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項３】
前記第１および第２の導電性液体の小滴（１３０、１３２）が、液体金属の小滴である、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項４】
前記第２の電気接触子（１１２）に結合されて、前記第２の電気接触子（１１２）を前記第１の電気接触子（１１０）の方へ移動させ、前記第１および第２の導電性液体の小滴（１３０、１３２）を合体（１４０）して、電気回路を完成し、および前記第２の電気接触子を前記第１の電気接触子（１１０）から離れるように移動させ、前記第１および第２の導電性液体の小滴（１３０、１３２）を分離し、前記電気回路を遮断するように動作可能である第２のアクチュエータ（１１６）をさらに含む、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項５】
前記第１および第２の導電性液体の小滴（１３０、１３２）の量は、合体した小滴（１４０）が、前記第１のアクチュエータ（１１４）がその休止位置に戻った時に合体状態を維持し、分離した小滴（１３０、１３２）が、前記第１のアクチュエータがその休止位置に戻った時に分離状態を維持するような量である、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項６】
前記第１および第２のアクチュエータ（１１４、１１６）と、前記第１および第２の電気接触子（１１０、１１２）への電気接続（７０２、７０４、７０６、７１４、７１６、７１８）を支持する回路基板（１０２）と、
キャップ層（１０６）と、および
前記回路基板（１０２）と前記キャップ層（１０６）との間に配置され、内部に形成されたキャビティ（１０８）を有するスイッチング層（１０４）とをさらに含み、
前記第１および第２のアクチュエータ（１１４、１１６）と、前記第１および第２の電気接触子（１１０、１１２）が、前記スイッチング層（１０４）内に形成されたキャビティ（１０８）内に配置される、請求項１に記載の電気リレー（１００）。
【請求項７】
リレー（１００）内の第１の接触子（１１０）と第２の接触子（１１２）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、前記第１の接触子（１１０）が第１の導電性液体の小滴（１３０）を支持し、前記第２の接触子（１１２）が第２の導電性液体の小滴（１３２）を支持し、その方法が、
前記電気回路を完成すべき場合、前記第１および第２の導電性液体の小滴（１３０、１３２）を合体（１４０）して前記電気回路を完成させるように、前記第１の接触子（１１０）と第２の接触子（１１２）を互いに近くなるように移動させるために第１のアクチュエータ（１１４）を付勢するステップと、および
前記電気回路を遮断すべき場合、前記第１および第２の導電性液体の小滴（１３０、１３２）を分離して前記電気回路を遮断するように、前記第１の接触子（１１０）と第２の接触子（１１２）を遠くに離れるように移動させるために第２のアクチュエータ（１１６）を付勢するステップとを含む、方法。
【請求項８】
前記第２のアクチュエータ（１１６）が、前記第１のアクチュエータ（１１４）である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記電気回路を完成すべき場合、前記導電性液体の小滴（１３０、１３２）が合体した後に前記第１のアクチュエータ（１１４）を消勢するステップと、および
前記電気回路を遮断すべき場合、前記導電性液体の小滴（１３０、１３２）が分離した後に前記第２のアクチュエータ（１１６）を消勢するステップとをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のアクチュエータ（１１４）が圧電アクチュエータであり、前記第１のアクチュエータを付勢するステップが、前記圧電アクチュエータ（１１４）の両端に電圧を印加することを含む、請求項７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、特に液体金属接触子を有する圧電作動式の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、およ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使用する電気リレーが開示される。このリレーでは、２つの電気接触子は、わずかな距離だけ離れて保持される。接触子の互いに向かい合う表面はそれぞれ、液体金属などの導電性液体の小滴を支持する。例示的な実施形態において、第１の電気接触子に結合された圧電アクチュエータは好適には、電気接触子間のギャップを閉じるように付勢され、それにより２つの導電性液体の小滴が合体して電気回路を形成する。次に、圧電アクチュエータは消勢されて、電気接触子はそれらの開始位置に戻る。液体金属の小滴は、表面張力により合体した状態を維持する。電気回路は、圧電アクチュエータを付勢して電気接触子をさらに遠くに離れるように移動させ、導電性液体の小滴間の表面張力結合を切断することにより遮断される。小滴は、圧電アクチュエータが消勢されると、接触子間のギャップを架橋するための導電性液体が不十分であるので、分離された状態を維持する。このリレーは、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は、特に添付の特許請求の範囲に記載される。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本発明の以下の詳細な説明を参照することにより、構成および動作方法の両方に関して、本発明の目的および利点と共に最も良く理解され得る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、大きな表面張力を有する水銀または他の液体金属を使用して、フレキシブルな非接触型の電気接続を形成することにより、局所的な加熱によって生じる点蝕および酸化物の蓄積を防ぐことができる高い電流容量のリレーが実現できる。
【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、図示およ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、液体金属などの導電性液体を使用して２つの電気接触子間のギャップを架橋し、これによって接触子間に電気回路を完成させる。２つの電気接触子は、わずかな距離だけ離れて保持される。接触子の互いに向かい合う表面はそれぞれ、導電性液体の小滴を支持する。例示的な実施形態では、導電性液体は好適には、高い導電性、低い揮発性、および大きい表面張力を有する水銀などの液体金属である。アクチュエータを第１の電気接触子に結合する。例示的な実施形態では、アクチュエータは好適には、圧電アクチュエータであるが、磁歪アクチュエータのような他のアクチュエータも使用され得る。以下では、圧電と磁歪はまとめて「圧電」と呼ぶことにする。アクチュエータは、付勢されると、第１の電気接触子を第２の電気接触子の方へ移動させ、２つの導電性液体の小滴を合体させて接触子間に電気回路を完成させる。そして、圧電アクチュエータが消勢されて、第１の電気接触子はその開始位置に戻る。導電性液体の小滴は表面張力により合体した状態を維持する。電気回路は、圧電アクチュエータを付勢して、第１の電気接触子を第２の電気接触子から離れるように移動させ、導電性液体の小滴間の表面張力結合を切断することにより、遮断される。圧電アクチュエータが消勢される場合、接触子間のギャップを架橋するための液体が不十分であるので、小滴は分離した状態を維持する。リレーは微細加工技術による製造に適している。
【００１２】
図１は、本発明のラッチングリレー１００の実施形態の上面図である。その断面２−２は図２に示され、その断面３−３は図３に示される。
【００１３】
図２は、図１に示されたリレーの断面２−２の断面図である。図２を参照すると、リレー１００は、回路層１０２、スイッチング層１０４、およびキャップ層１０６の３つの層を含む。回路層１０２は、スイッチング層内の素子への電気接続を支持し、スイッチング層に下側のキャップを提供する。回路層１０２は、たと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使用さ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、たとえばセラミックまたはガラスから作成されるか、あるいは絶縁層（セラミックなど）でコーティングされた金属から作成され得る。スイッチング層１０４は、スイッチングキャビティ１０８を組み込む。キャビティは不活性ガスで充填され得る。第１の電気接触子１１０と第２の電気接触子１１２は、キャビティ１０８内にある。第１のアクチュエータ１１４は、一方の端部でスイッチング層の基板に取り付けられ、他方の端部で第１の電気接触子１１０を支持する。動作時、アクチュエータの長さを増減して、第１の電気接触子１１０を第２の電気接触子１１２の方へ移動させたり、または第２の電気接触子１１２から離れるように移動させる。例示的な実施形態では、アクチュエータは好適には、圧電アクチュエータである。第２の電気接触子１１２は、第１の電気接触子１１０と面して配置される。第２の電気接触子１１２は、スイッチング層１０４の基板に直接的に取り付けられるか、または図面に示されるように、第１のアクチュエータに対抗して動作する第２のアクチュエータ１１６に取り付けられてもよい。第１と第２の電気接触子の互いに向かい合う表面は、導電性液体により濡れる。動作時、これらの表面は、導電性液体の表面張力によって所定位置に保持される導電性液体の小滴を支持する。小滴のサイズが小さいことに起因して、表面張力は小滴の体積力より優勢であり、そのため小滴は所定位置に保持される。キャップ層１０６はスイッチング層１０８の上部を覆い、スイッチングキャビティ１０８を封止する。キャップ層１０６は、たとえばセラミック、ガラス、金属、またはポリマー、あるいはこれらの材料の組み合わせから作成され得る。例示的な実施形態では、好適にはガラス、セラミック、または金属を使用してハーメチックシールを提供する。例示的な実施形態では、電気接触子は好適には、段付きの表面を有する。これにより表面積が増大し、導電性液体のリザーバが提供される。例示的な実施形態では、電気接触子間のギャップは０．４ｍｍ（１６ミル）であり、接触子は０．７６ｍｍ（３０ミル）の直径を有する円形である。接触子の面の段は０．１８ｍｍ（７ミル）伸長し、０．４ｍｍ（１６ミル）の直径を有する。
【００１４】
図３は、図１に示されたラッチングリレーの断面３−３の断面図である。この図には、回路層１０２、スイッチング層１０４、およびキャップ層１０６の３つの層が示される。図３を参照すると、第１の電気接触子１１０はスイッチングキャビティ１０８内に配置される。スイッチングキャビティ１０８の下側は回路層１０２により封止され、上側はキャップ層１０６により封止される。
【００１５】
図４は、上記（図２と図３に対して）のリレーのキャップ層を除去した図である。スイッチング層１０４はスイッチングキャビティ１０８を組み込む。第１と第２の電気接触子１１０と１１２は、キャビティ１０８内に配置される。第１のアクチュエータ１１４は、一方の端部でスイッチング層の基板に取り付けられ、他方の端部で第１の電気接触子１１０を支持する。第２の電気接触子１１２は、第１の電気接触子１１０に面して配置される。第２の電気接触子１１２は、スイッチング層１０４の基板に直接的に取り付けられるか、または図面に示されたように、第１のアクチュエータに対抗して動作する第２のアクチュエータ１１６に取り付けられてもよい。
【００１６】
動作時、電気接触子１１０と１１２は、液体水銀などの導電性液体の小滴を支持する。図５は上記のリレーのさらに別の図である。図５を参照すると、導電性液体の小滴１３０と１３２は、電気接触子を覆う。導電性液体の量と接触子間の間隔は、接触子間のギャップを架橋するための液体が不十分であるような量と間隔である。図５に示されるように、接触子間の電気回路は開いている。
【００１７】
接触子間の電気回路を完成させるためには、２つの液体の小滴を合体するように接触子を互いに移動する。これは、アクチュエータの一方または両方を付勢することにより達成され得る。小滴が合体すると、電気回路は完成する。アクチュエータを消勢すると、接触子はそれらの元の位置に戻る。しかしながら、導電性液体の量と接触子の間隔は、導電性液体の表面張力によって導電性液体の小滴が合体した状態を維持するような量と間隔である。これを図６に示す。図６を参照すると、２つの小滴は、単一の液体の塊１４０として合体した状態を維持する。このようにして、リレーはラッチされ、電気回路は、リレーアクチュエータが消勢された時に完成状態を維持する。電気回路を再び遮断するためには、２つの液体の小滴間の表面張力結合が切断されるまで、２つの電気接触子間の距離を増加させる。第１のアクチュエータは双方向性とすることができ、この場合、アクチュエータの長さを縮めて結合を切断する。代案として、第１のアクチュエータが単方向性である場合、図７に示されるように第２のアクチュエータを使用してもよい。図７を参照すると、アクチュエータが付勢された時にアクチュエータの長さが増加する場合、第１のアクチュエータ１１４を付勢して接触子１１０と１１２を互いに近くなるように移動させ、第２のアクチュエータ１１６を付勢してこれらを遠くに離れるように移動させる。代案として、アクチュエータが付勢された時にアクチュエータの長さが減少する場合、第２のアクチュエータ１１６を付勢して接触子１１０と１１２を互いに近くなるように移動させ、第１のアクチュエータ１１４を付勢してこれらを遠くに離れるように移動させる。さらなる実施形態では、図７のアクチュエータは双方向性である。
【００１８】
図８は、本発明のラッチングリレーのさらに別の断面図であり、例示的な回路ルーティングを示す。図８を参照すると、回路７０２と７０４は、回路層１０２のバイアを通って、第１のアクチュエータ１１４に電気的に結合される。回路は、回路層の外面のパッドで終端する。回路７０６は、第１の接触子１１０に電気接続される。制御信号は、ハンダボール７０８と７１０を使用して、回路７０２と７０４のパッドに接続され得る。同様に、ハンダボール７１２を使用して接触子回路７０６への接続を行うこともできる。対応する回路７１８と７１６は、回路層１０２のバイアを通って、第２のアクチュエータ１１６に電気的に結合される。回路７１４は、第２の接触子１１２に電気接続される。制御信号は、ハンダボール７２４と７２２を使用して、回路７１６と７１８に接続され得る。同様に、ハンダボール７２０を使用して接触子回路７１４への接続を行うこともできる。誘電体材料７２６と７２８は、種々の回路間に絶縁を提供する。
【００１９】
大きな表面張力を有する水銀または他の液体金属を使用して、フレキシブルな非接触型の電気接続を形成することにより、局所的な加熱によって生じる点蝕および酸化物の蓄積を防ぐ高い電流容量のリレーが結果として得られる。
【００２０】
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、置換およ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、修正および変形を含むことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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上面図である。
【図２】本発明の特定の実施形態によ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さらに別の断面図である。
【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スイッチング層の図である。
【図５】本発明の特定の実施形態によるスイッチが開いた状態のラッチングリレーのスイッチング層の図である。
【図６】本発明の特定の実施形態によるスイッチが閉じた状態のラッチングリレーのスイッチング層の図である。
【図７】本発明の特定の実施形態による単方向アクチュエータを使用したラッチングリレーのスイッチング層の図である。
【図８】本発明の特定の実施形態による例示的な回路ルーティングを示すラッチングリレーのさらに別の断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
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  スイッチングキャビティ
110、112  電気接触子
114、116  アクチュエータ
130、132  導電性液体の小滴
【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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