(57)【要約】【課題】圧電作動式の液体金属スイッチの提供。【解決手段】電気スイッチ(105)の方法および構造体。本発明の構造に従って、流体充填チャンバ(240)は固体材料(130,140,150)内に収容される。流体充填チャンバ内の複数のスイッチ接触子(245)は、固体材料に結合され、複数の圧電素子(215)は複数の膜(515)に結合される。複数の膜は、流体充填チャンバに結合される。複数のスイッチ接触子は、複数の液体金属の小滴(235)に結合され、スラグ(250)は、複数のスイッチ接触子の２つ、および複数の液体金属の小滴に結合される。方法によれば、圧電素子が作動することにより、膜要素が撓む。膜要素の撓みにより、アクチュエータの流体の圧力が増加し、その圧力の増加によって、第１のスイッチ接触子と第２のスイッチ接触子との間のスラグ接続を遮断する一方で、スラグは、複数のスイッチ接触子の第３のスイッチ接触子と第４のスイッチ接触子との間に液体金属接続を確立する。【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（１０５）のための構造体であって、
固体材料（１３０、１４０、１５０）内に収容され、アクチュエータ流体（２３０）で充填されたチャンバ（２４０）と、
前記チャンバ内にあり、前記固体材料に結合された複数のスイッチ接触子（２４５）と、
前記複数のスイッチ接触子および前記チャンバに結合された複数の液体金属の小滴（２３５）と、
前記複数の液体金属の小滴の１つまたは複数に結合され、前記複数のスイッチ接触子の１つまたは複数に結合されたスラグ（２５０）と、および
複数の膜（５１５）に結合された複数の圧電素子（２１５）とを備え、
前記複数の膜が前記チャンバに結合されている、構造体。
【請求項２】
前記複数の膜が、対応する複数のオリフィス（２５５）に結合され、前記複数のオリフィスの１つが、アクチュエータ流体の流量を増加するように動作可能である、請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記複数の圧電素子が、対応する複数の接触子（２１０）にさらに結合され、該複数の接触子が前記複数の圧電素子を作動させるように動作可能である、請求項１に記載の構造体。
【請求項４】
電気スイッチ（１０５）のための構造体であって、
圧電基板層（１１０）と、
前記圧電基板層に結合されたアクチュエータ流体リザーバ層（１２０）であって、そのアクチュエータ流体リザーバ層が、１つまたは複数の圧電作動式のプッシャ要素（２２７）をさらに含むアクチュエータ流体リザーバ層（１２０）と、
前記アクチュエータ流体リザーバ層に結合された膜層（１３０）であって、その膜層が、前記１つまたは複数の圧電作動式のプッシャ要素に結合された１つまたは複数の膜（５１５）からなる、膜層（１３０）と、
前記膜層に結合された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された回路基板層（１５０）と、および
前記液体金属チャネル層内に収容されたアクチュエータ流体充填チャンバ（２４０）とを備え、
前記アクチュエータ流体充填チャンバが、１つまたは複数のスイッチ接触子（２４５）に結合された１つまたは複数の液体金属（２３５）の小滴と、前記１つまたは複数の液体金属の小滴に結合され、前記１つまたは複数のスイッチ接触子に結合されたスラグ（２５０）とを含み、前記アクチュエータ流体充填チャンバが前記１つまたは複数の膜に結合されている、構造体。
【請求項５】
前記アクチュエータ流体リザーバ層が充填ポート（７１０）をさらに含み、その充填ポートが、前記アクチュエータ流体リザーバ層の１つにアクチュエータ流体を充填するために使用されるように動作可能である、請求項４に記載の構造体。
【請求項６】
前記回路基板層が、複数の回路トレースと、前記複数の圧電素子の１つまたは複数の作動により生成される１つまたは複数の信号の経路を指定するように動作可能な複数のパッドとをさらに含む、請求項４に記載の構造体。
【請求項７】
前記膜層、アクチュエータ流体リザーバ層、圧電基板層、回路基板層および液体金属チャネル層が、ガラス、セラミック、複合材料およびセラミックコーティングされた材料の１つまたは複数から構成され得る、請求項４に記載の構造体。
【請求項８】
液体金属スイッチ（１０５）を使用して１つまたは複数の電気信号の電気スイッチングを行うための方法であって、
圧電素子（２１５）を作動させるステップと、
前記圧電素子の作動により膜要素（５１５）を撓ませるステップと、
前記膜要素の撓みによってアクチュエータ流体の圧力を増加させるステップと、および
以前には複数のスイッチ接触子（２４５）の第１スイッチ接触子および第２スイッチ接触子に結合されていたスラグ（２５０）が、前記複数のスイッチ接触子（２４５）の第３スイッチ接触子および第４スイッチ接触子に結合されるように、前記アクチュエータ流体の圧力の増加によって、前記第１スイッチ接触子と前記第２スイッチ接触子との間の液体金属の接続を遮断し、前記スラグを移動させるステップとを含む、方法。
【請求項９】
前記圧電素子が、前記圧電素子の第１の側と、対向する第２の側に印加される電位の適用により作動される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ラッチングが、液体金属の表面張力により前記接触子のパッドおよび前記スラグに提供される、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して電子装置およびシステムの分野に関し、より具体的には電子スイッチング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
リレーまたはスイッチは、電気信号を第１の状態から第２の状態に切り換えるために使用され得る。一般に、２つより多い状態が存在する可能性がある。スイッチの小さい幾何学的形状または小さい領域内に多数のスイッチを必要とする用途では、ＭＥＭＳ製作技術を用いて、小さい設置面積でスイッチを形成することができる。半導体スイッチは、工業機器、電気通信機器、およびインクジェットプリンタなどの電気機械装置の制御など、様々な用途に使用され得る。
【０００３】
スイッチング用途では、圧電技術の使用法は、スイッチを作動させるために利用され得る。圧電材料は、いくつかの独特な特性を有する。圧電材料は、印加電圧に応じて膨張または収縮させることができる。これは、間接的な圧電効果として知られている。膨張または収縮の量、膨張または収縮によって生じる力、連続的な収縮間の時間量は、特定の用途における圧電材料の適用に影響を及ぼす重要な材料特性である。また、圧電材料は、直接的な圧電効果も示し、この場合、印加される力に応じて電界が生成される。この電界は、接触子が圧電材料に適切に結合されている場合、電圧に変換され得る。
【０００４】
間接的な圧電効果は、スイッチング素子内の接触子を開閉する際に有用である一方で、直接的な圧電効果は、印加される力に応じてスイッチング信号を生成する際に有用である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の課題は、圧電作動式の液体金属スイッチを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
電気スイッチの方法および構造体を開示する。本発明の構造に従って、流体充填チャンバは固体材料内に収容される。流体充填チャンバ内のスイッチ接触子は、固体材料に結合され、圧電素子は複数の膜に結合される。複数の膜は、流体充填チャンバに結合される。複数のスイッチ接触子は、複数の液体金属の小滴（globule：しずく、小球体）に結合される。スラグは、複数のスイッチ接触子の２つ、および複数の液体金属の小滴の１つまたは複数に結合される。本発明の方法に従って、圧電素子が作動することにより、膜要素が撓む。膜要素の撓みにより、アクチュエータの流体の圧力が増加され、アクチュエータ流体の圧力の増加によって、スラグは第１の２つのスイッチ接触子から第２の２つのスイッチ接触子に移動する。アクチュエータ流体の圧力およびスラグの移動によって、電気スイッチの第１のスイッチ接触子と第２のスイッチ接触子との間の液体金属接続が遮断される。
【０００７】
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以下の本発明の詳細な説明を参照することにより、動作の構成および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】
【０００８】
本発明によれば、圧電作動式の液体金属スイッチが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、多くの異なる形態の実施形態が可能であるが、特定の実施形態を図面に示し、本明細書で詳細に説明する。ただし、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る特定の実施形態に本発明を限定する意図はないと理解されるべきである。以下の説明では、類似の参照符号は、いくつかの図面において同じ部品、類似の部品、または対応する部品を示すために使用される。
【００１０】
液体金属スイッチは、複数の層を用いて提供されることができ、この場合、複数の層は、液体金属スイッチの製作中に形成される層である。
【００１１】
さて、図１を参照すると、本発明の特定の実施形態によるスラグプッシャモードの液体金属スイッチ１０５の側面図１００が示される。スラグプッシャモードの液体金属スイッチ１０５は、複数の別個の層から構成されることができ、複数の層は複数の機能を提供する。圧電基板層１１０は、アクチュエータ流体リザーバ層１２０に結合される。アクチュエータ流体リザーバ層１２０は膜層１３０に結合され、膜層１３０は液体金属チャネル層１４０に結合される。液体金属チャネル層１４０は、さらに回路基板層１５０に結合される。留意すべきは、回路基板層１５０は複数の回路トレースをさらに含むことができ、複数の回路トレースは、図１に示されていない。図１に示された１つまたは複数の層は、本発明の思想および範囲から逸脱することなく結合されることができ、あるいは違ったふうに命名され得ることに留意すべきである。一例として、膜層１３０および液体金属チャネル層１４０は、さらに合体されて１つのチャネル層とすることができ、この場合、チャネル層は膜およびチャネルを含む。また、１つまたは複数の追加の層は、本発明の思想および範囲から逸脱することなく与えられ得ることも留意すべきである。本発明の特定の実施形態では、圧電基板層１１０、アクチュエータ流体リザーバ層１２０、膜層１３０、液体金属チャネル層１４０、および回路基板層１５０は、１つまたは複数のガラス、セラミック、複合材料およびセラミックコーティングされた材料から構成され得る。
【００１２】
さて、図２を参照すると、本発明の特定の実施形態によるスラグプッシャモードの液体金属スイッチ１０５の断面図２００が示される。断面図２００は、複数の接触子２１０に結合された圧電基板層１１０を示し、この場合、複数の接触子２１０は複数のバイア２２５に結合されている。複数のバイア２２５により、対応する複数の圧電素子２１５に電位が印加されることが可能になる。電位は、複数の接触子２１０の２つの接触子を用いて印加され得る。２つの接触子は、複数の誘電体２２０の１つの誘電体を使用することにより絶縁される。複数の誘電体２２０の誘電体は、図２に示されるように、複数の接触子２１０の各接触子対に結合される。本発明の特定の実施形態では、複数の誘電体２２０、複数の圧電素子２１５、および複数の接触子２１０の各接触子のセグメントは、アクチュエータ流体リザーバ層１２０内に位置する。本発明の特定の実施形態では、プッシャ（pusher:押出機）要素２２７は、複数の圧電素子２１５の１つの圧電素子、複数の誘電体２２０の１つの誘電体、および複数の接触子２１０の１つの接触子のセグメントから構成される。
【００１３】
プッシャ要素２２７は、アクチュエータ流体リザーバ層１２０内にある。プッシャ要素２２７は、作動流体２０５を使用することにより隣接するプッシャ要素から分離される。本発明の特定の実施形態では、アクチュエータ流体リザーバ層１２０内の各プッシャ要素は、作動流体２０５により分離される。本発明の特定の実施形態では、作動流体２０５は、不活性で低粘度かつ高沸点の流体、たとえば３Ｍ Fluorinert（Ｒ）からなる。順方向電位は、複数の圧電素子２１５の１つの圧電素子を伸長するように動作可能であり、逆方向電位は、複数の圧電素子２１５の１つの圧電素子を縮めるように動作可能である。本発明の思想および範囲から逸脱することなく、順方向電位は、圧電素子を縮めるために使用されることができ、逆方向電位は、圧電素子を伸長させるために使用され得ることに留意すべきである。プッシャ要素２２７は、図２に示されるように膜層１３０に結合され、そのためプッシャ要素２２７の伸長により、膜層１３０が押され、その結果、スイッチング流体２３０が膜層１３０から液体金属チャネル層１４０のチャネル２４０内に移動する。
【００１４】
チャネル２４０は、複数の液体金属２３５と、複数のスイッチ接触子２４５と、スラグ２５０と、スイッチング流体２３０とを含む。水銀またはガリウム合金のような複数の液体金属２３５は、減摩潤滑材として働く。複数の液体金属２３５は複数のスイッチ接触子２４５に結合され、スラグ２５０に結合されて、複数の液体金属２３５の１つは複数のスイッチ接触子２４５の２つに結合される。本発明の特定の実施形態では、スラグ２５０は複数の液体金属２３５内に封入される。スラグ２５０は固体または中空とすることができ、金属化合物、セラミックまたはプラスチックなどの濡れる材料からなることができる。本発明の特定の実施形態では、スラグ２５０は、複数のスイッチ接触子２４５の２つまたはそれより多いスイッチ接触子に結合される。複数のスイッチ接触子２４５は、回路基板層１５０にさらに結合される。スイッチング流体２３０は、１つまたは複数のオリフィス２５５を介してチャネル２４０に結合される。１つまたは複数のオリフィス２５５は、スイッチング流体２３０が、チャネル２４０の１つまたは複数の端部においてチャネル２４０に入るように配置される。１つまたは複数のオリフィス２５５は、スイッチング流体２３０の流量が、スラグ２５０を複数のスイッチ接触子２４５の第１の２つのスイッチ接触子から複数のスイッチ接触子２４５の第２の２つのスイッチ接触子に移動させるのに十分であるようなサイズになっている。
【００１５】
スラグプッシャモードの液体金属スイッチ１０５は、複数の接触子２１０の２つの接触子に印加される電位により動作する。印加電位により、複数の圧電素子の１つの圧電素子は伸長する。こうした伸長は、スイッチング流体２３０の圧力を増加させる。そして、スイッチング流体２３０はチャンバ２４０内へと押し込まれる。チャンバ２４０内におけるスイッチング流体２３０の対応する圧力の増加により、スラグ２５０は、スイッチング流体２３０の圧力の増加により移動し、最初は第１の２つのスイッチ接触子に結合されていたスラグ２５０は、次に、複数のスイッチ接触子２４５の第２の２つのスイッチ接触子に結合される。本発明の特定の実施形態では、スラグ２５０は複数の液体金属２３５内に封入される。本発明の特定の実施形態では、液体金属は、第２領域が複数のスイッチ接触子２４５の第２の２つのスイッチ接触子に結合され、第１領域が第１の２つのスイッチ接触子に結合されるように分離する。
【００１６】
スラグ２５０の移動は、スラグプッシャモードの液体金属スイッチ１０５の値を第１の状態から第２の状態に切り換えるように動作可能である。この第２領域、および第２の２つのスイッチ接触子に結合された時のスラグ２５０の位置は、液体金属と、第２の２つのスイッチ接触子の対応する表面との間の表面張力により維持される。スラグ２５０は濡れやすく、そのため、液体金属２３５の表面張力、および複数のスイッチ接触子２４５の１つまたは複数に対するスラグ２５０の結合により安定位置に維持され得る。
【００１７】
また、２つのプッシャ要素は、第１のプッシャ要素が、第１の２つのスイッチ接触子に結合された複数の液体金属２３５の１つの液体金属を分離し、液体金属が第２の２つのスイッチ接触子に結合されるように使用され得ることにも留意すべきである。次に、第２のプッシャ要素を使用して、第２の２つのスイッチ接触子に結合された液体金属を分離することができる。本発明の特定の実施形態では、第１のプッシャ要素は、押す（伸長する）ように作成され、第２のプッシャ要素は、引く（短縮する）ように作成され得るので、液体金属およびスラグ２５０は、第１のプッシャ要素により押され、第２のプッシャ要素は、液体金属を引き離し、スラグ２５０を引き寄せるための負圧を生成する。
【００１８】
さて、図３を参照すると、本発明の特定の実施形態によるスラグプッシャモードの液体金属スイッチ１０５の回路基板層１１０の第１の上面図３００が示される。第１の上面図３００は、複数の接触子２１０の配置を示す。複数の接触子２１０は、正方形の上部外形を有するように表されているが、円形などの他の外形は、本発明の思想および範囲を逸脱することなく使用され得る。
【００１９】
次に図４を参照すると、本発明の特定の実施形態によるスラグプッシャモードの液体金属スイッチ１０５の液体金属チャネル層１４０の上面図４００が示される。上面図４００は、複数の貫通孔４０５を示すチャネル２４０の上面図４１５を示し、この場合、複数の貫通孔４０５は、スイッチング流体２３０が、図６の流体リザーバ６１０内へ入る時に比べて、より力強くチャネル２４０内へ入ることを可能にするように動作可能である。複数の貫通孔４０５は、スイッチング流体の圧力２３０が増加して、複数の液体金属２３５の１つの液体金属の分離を強めるようなサイズになっている。液体金属チャネル層１４０の断面図４１０も示される。断面図４１０は、チャネル２４０の幅に対する複数の貫通孔４０５の幅を示す。図４には２つの貫通孔を示すが、より多くの貫通孔は、本発明の思想および範囲から逸脱することなく使用され得ることに留意すべきである。また、複数の貫通孔４０５は、複数の別個の幅を有するように実施できることも留意すべきである。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の伸長または短縮の量とが一致するように選択され得る。
【００２０】
さて、図５を参照すると、本発明の特定の実施形態によるスラグプッシャモードの液体金属スイッチ１０５の膜層１３０の上面図５００が示される。上面図５００は、流量絞り５１０の図を含む膜層１３０の向きを示す。流量絞り５１０は、作動流体リザーバ層１２０内に流入するスイッチング流体２３０の量を調整するように動作可能である。流量絞り５１０は、スイッチング流体２３０の十分な量を依然として提供しながら、複数の液体金属２３５の１つの液体金属に適切な圧力が伝達されるようなサイズになっている。断面図５０５は、複数の膜５１５に対する流量絞り５１０の配置を示す。
【００２１】
次に図６を参照すると、本発明の特定の実施形態によるスラグプッシャモードの液体金属スイッチ１０５のアクチュエータ流体リザーバ層１２０の上面図６００が示される。上面図６００は、作動流体２０５を含むリザーバ６１０のサイズを示す。断面図６０５は、リザーバ６１０の幾何学的形状をさらに示す。
【００２２】
次に図７を参照すると、本発明の特定の実施形態によるスラグプッシャモードの液体金属スイッチ１０５の圧電基板層１１０の底面図７００が示される。底面図７００は、複数のプッシャ要素２２７の配置を示す。断面図７０５は、複数の接触子２１０の１つの接触子の配置をさらに示す。また、図７には充填ポート７１０も示される。充填ポート７１０は、リザーバ６１０に作動流体２０５を充填するために使用されるように実施できる。本発明の特定の実施形態では、作動流体２０５は、スラグプッシャモードの液体金属スイッチ１０５の組立時に充填され、その後、充填ポート７１０は封止される。本明細書で使用される場合、作動流体２０５で充填されたリザーバ６１０に言及する時は、リザーバ６１０全体が充填されているという意味に限定されず、リザーバ６１０を満たすために使用される作動流体２０５の量は変えることができる。
【００２３】
本発明は、特定の実施形態に関連して説明されたが、多くの代案、修正、置換および変形は、上記の説明に鑑みて当業者には明らかになるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲内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る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の特定の実施形態によるスラグプッシャモードの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形態によるスラグプッシャモードの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形態によるスラグプッシャモードの液体金属スイッチの回路基板層の上面図である。
【図４】本発明の特定の実施形態によるスラグプッシャモードの液体金属スイッチの液体金属チャネル層の上面図である。
【図５】本発明の特定の実施形態によるスラグプッシャモードの液体金属スイッチの膜層の上面図である。
【図６】本発明の特定の実施形態によるスラグプッシャモードの液体金属スイッチのアクチュエータ流体リザーバ層の上面図である。
【図７】本発明の特定の実施形態によるスラグプッシャモードの液体金属スイッチの圧電基板層の上面図である。
【符号の説明】
【００２５】
105  液体金属スイッチ
110  圧電基板層
120  アクチュエータ流体リザーバ層
130  膜層
140  チャネル層
150  回路基板層
215  圧電素子
227  プッシャ要素
230  スイッチング流体
235  液体金属
240  チャンバ
245  スイッチ接触子
250  スラグ
255  オリフィス
515  膜
710  充填ポート
【図１】
2004319495.tif 000003
【図２】
2004319495.tif 000004
【図３】
2004319495.tif 000005
【図４】
2004319495.tif 000006
【図５】
2004319495.tif 000007
【図６】
2004319495.tif 000008
【図７】
2004319495.tif 000009