(57)【要約】【課題】  スイッチング時間が短く、熱の生成も少ない電気リレーを提供する。【解決手段】  スイッチング接触の第一の方向における動きにより、第一の導電性液体塊（１４０）が第一のスイッチング接触（１１４）と第一の固定接触パッド（１２２）との間に接続を形成し、第二の導電性液体塊（１４２）が２つの液滴へと分離されて第二のスイッチング接触（１１６）と第二の固定接触パッド（１２４）との間の接続が解除されることになり、スイッチング接触の第二の方向における動きにより、第一の導電性液体塊（１４０）が２つの液滴に分離されて第一のスイッチング接触（１１４）と第一の固定接触パッド（１２２）との間の接続が解除され、第二の導電性液体塊（１４２）が第二のスイッチング接触（１１６）と第二の固定接触パッド（１２４）との間に接続を形成するようにした。【選択図】        図３
2004319479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャップ層と、
回路基板と、
前記回路基板及び前記キャップ層間に配置され、スイッチング空洞がその中に形成されたスイッチング層と、
前記回路基板上に形成され、前記スイッチング空洞において第一及び第二の固定接触パッドにて終わる第一及び第二の電気トレースと、
前記スイッチング層に結合する固定端部と固定されていない端部とを有する、屈曲式に変形可能な圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの前記固定されていない端部に取り付けられ、前記第一及び第二の固定接触パッド間に配置された第一及び第二のスイッチング接触と、
前記回路基板上に形成され、前記第一及び第二のスイッチング接触の少なくとも一方に電気的に結合する第三の電気トレースと、
前記第一、第二及び第三の電気トレースに電気的遮蔽を提供するために前記回路基板上に形成された第一の複数のグランドトレースと、
前記第一のスイッチング接触と前記第一の固定接触パッドに濡れ接触する第一の導電性液体塊と、
そして前記第二のスイッチング接触と前記第二の固定接触パッドに濡れ接触する第二の導電性液体塊と
を具備した電気リレーであって、
前記スイッチング接触の第一の方向における動きにより、前記第一の導電性液体塊が前記第一のスイッチング接触と前記第一の固定接触パッドとの間に接続を形成し、前記第二の導電性液体塊が２つの液滴へと分離されて前記第二のスイッチング接触と前記第二の固定接触パッドとの間の接続が解除されることになり、
前記スイッチング接触の第二の方向における動きにより、前記第一の導電性液体塊が２つの液滴に分離されて前記第一のスイッチング接触と前記第一の固定接触パッドとの間の接続が解除され、前記第二の導電性液体塊が前記第二のスイッチング接触と前記第二の固定接触パッドとの間に接続を形成することになる前記電気リレー。
【請求項２】
前記第一及び第二の導電性液体塊が、液体金属滴である請求項１に記載の電気リレー。
【請求項３】
前記第一及び第二の導電性液体塊が、前記アクチュエータがその休止位置に戻った場合に接続された塊が接続されたまま残り、前記圧電アクチュエータが変形されていない場合に分離した液滴が分離したまま残る請求項１に記載の電気リレー。
【請求項４】
前記圧電アクチュエータにより支持され、前記第一及び第二のスイッチング接触の少なくとも一方に電気的に結合する第一の可動式接触と、
前記第一の可動式接触の付近に配置され、前記第三の電気トレースに電気的に結合する第三の固定接触パッドと、
そして前記第一の可動式接触と前記第三の固定接触パッドとの間に濡れ接触して電気接続を形成する第三の導電性液体塊を更に具備し、
前記第三の導電性液体塊のサイズが、前記圧電アクチュエータが変形されていない場合に前記第一の可動式接触と前記第三の固定接触パッドとの間の接続が保たれるように設定された請求項１に記載の電気リレー。
【請求項５】
前記第一、第二及び第三の電気トレースの少なくとも１つが、前記回路基板の端部にて終わっている請求項１に記載の電気リレー。
【請求項６】
前記回路基板の底面に形成された第二の複数のグランドトレースを更に含み、前記第一の複数のグランドトレースが前記回路基板を貫通する１つ以上のバイアにより前記第二の複数のグランドトレースへと電気的に接続された請求項１に記載の電気リレー。
【請求項７】
前記リレーがマイクロマシン加工法により製作される請求項１に記載の電気リレー。
【請求項８】
前記圧電アクチュエータの前記固定端部が、前記スイッチング層にしっかりと固定されたものである請求項１に記載の電気リレー。
【請求項９】
前記圧電アクチュエータの前記固定端部が、前記スイッチング層に蝶番式に取り付けられたものである請求項１に記載の電気リレー。
【請求項１０】
前記第一及び第二のスイッチング接触が、前記導電性液体に対する濡れ性を持たない表面により分離されている請求項１に記載の電気リレー。
【請求項１１】
前記第一の複数のグランドトレースのうち、全てのグランドトレースが相互に電気的に結合している請求項１に記載の電気リレー。
【請求項１２】
前記第一及び第二のスイッチング接触が、相互に電気的に結合している請求項１に記載の電気リレー。
【請求項１３】
前記第三の電気トレースが前記第一のスイッチング接触へと電気的に結合し、前記回路基板上に形成され、前記第二のスイッチング接触へと電気的に結合する第四の電気トレースを更に具備した請求項１に記載の電気リレー。
【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用の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の分野に関するものであり、より具体的には液体金属接触を持つ圧電作動式ラッチングリレーに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気スイッチにおいて水銀等の液体金属は２つの導体間に電気経路を提供するために使用される。その一例には水銀サーモスタットスイッチがあり、これはバイメタル・ストリップコイルが温度に反応して水銀を含む細長い空洞の角度を変化させるものである。空洞中の水銀は高い表面張力を持つため、単一の液滴を形成している。この水銀液滴は、重力により空洞の角度に応じて空洞中の電気接触を含む端部あるいは他方の端部へと移動する。手動型液体金属スイッチにおいては、水銀液滴を空洞中で移動させるために永久磁石が用いられる。
【０００３】
液体金属はまた、リレー中にも用いられる。液体金属液滴は静電気力、熱膨張／収縮による形状の可変性、及び磁気流体力を含む様々な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、又は圧電材料中の残留電荷を用いてラッチする、あるいはラッチ機構に接触するスイッチを作動するものである。
【０００５】
高電流の高速スイッチングは様々なデバイスにおいて用いられているが、固体接触型リレーには電流の流れが中断された場合に生じるアーキングのために問題が生じる。アーキングは接触部に損傷を与え、電極表面における点食によりそれらの導電性を劣化させるのである。
【０００６】
液体金属をスイッチング素子として使用し、加熱時の気体膨脹によりその液体金属を移動させてスイッチング機能を作動させる微小スイッチがこれまでにも開発されている。液体金属には、他のマイクロマシン加工技術と比較した場合に、金属間接触を用いても微小溶着またはスイッチ機構の過熱を生じることなく相対的に高出力（約１００ｍＷ）のスイッチングを実施する能力が得られる等、幾つかの利点がある。しかしながら、加熱気体の使用には幾つかの欠点もある。スイッチの状態を変化させるためには相対的に大量のエネルギーを要し、スイッチングのデューティーサイクルが高い場合はスイッチングにより生じた熱を効率的に散逸させられなければならない。加えて作動速度が相対的に遅く、最高速度は数百ヘルツに制約されるのである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
スイッチング機構中に導電性液体を用いた電気リレーを開示する。このリレーにおいては、一対の可動式スイッチング接触が圧電アクチュエータの固定されていない端部に取り付けられ、一対の固定接触パッド間に配置される。各接触は液体金属等の導電性液滴を支持するものである。アクチュエータが作動して屈曲モードにおいて変形し、スイッチング接触対を動かして固定接触パッドの一方とスイッチング接触の一方との間のギャップを閉じることにより、導電性液滴が癒着して電気回路が形成される。これと同時に他方の固定接触パッドと他方のスイッチング接触間のギャップが大きくなり、導電性液滴が離れて電気回路が遮断される。
【０００８】
本発明の新規の特徴及び考えられる特性は請求項に記載した。しかしながら本発明自体はその利用形態及び更なる目的及び利点と共に以下に説明する詳細な実施例を、添付図を参照しつつ読むことにより最もよく理解することができる。
【０００９】
本発明は多くの異なる形態の実施例に適用することが可能であるが、本願においては図に示した１つ以上の特定の実施例に沿って説明する。しかしながら、本開示はあくまでも本発明の原理の一例にしか過ぎず、本発明を図示及び説明する特定の実施例に制約する意図はない。以下の説明においては、複数の図にわたり、同様の符号が同一、同様又は対応する部分を示すために用いられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の電気リレーは、２つの電気接触間のギャップをブリッジして接触間に電気回路を完成させるために液体金属等の導電性液体を用いたものである。二つの可動式電気接触（以下「スイッチング接触」と呼ぶ）は、圧電アクチュエータの固定されていない端部に取り付けられ、一対の固定接触パッド間に配置される。圧電アクチュエータの代わりに、磁界がある場合に変形するＴｅｒｅｎｏｌ−Ｄのような磁歪アクチュエータを用いることもできる。結局のところ、圧電アクチュエータも磁歪アクチュエータも集合的に「圧電アクチュエータ」と呼ばれる。各接触の表面は、導電性液滴を支持している。一実施例においては、導電性液体は高い導電性、低い揮発性及び高い表面張力を持つ水銀のような液体金属である。電源が投入されると、圧電アクチュエータは屈曲式に変形し、第一のスイッチング接触が第一の固定接触パッドに向けて移動して接触上にある導電性液滴が癒着し、第一のスイッチング接触と第一の固定接触パッド間に電気回路が形成されることになるようにスイッチング接触を移動させるものである。スイッチング接触は固定接触パッド間に配置されているため、第一のスイッチング接触が第一の固定接触パッドに向かって移動すると、第二のスイッチング接触は第二の固定接触パッドから離れることになる。スイッチ状態が変化した後、圧電アクチュエータの電源が絶たれ、スイッチング接触は開始位置に戻る。導電性液滴は、その表面張力が液滴を一体に維持し得る程度の量とすることにより、単一の塊として融着したままである。圧電アクチュエータに電源を入れて第一のスイッチング接触を第一の固定接触パッドから離し、導電性液滴間の表面張力結合を壊すことにより電気回路は再度解消される。圧電アクチュエータの電源が絶たれた場合にも、液体が接触間のギャップをブリッジするに十分でない限りにおいては、液滴は分離したままである。このリレーは、マイクロマシン技術による製造が可能である。
【００１１】
図１は、本発明のラッチングリレーの一実施例を示す側面図である。図１を見ると、リレー１００は、回路基板１０２、スイッチング層１０４及びキャップ層１０６の３つの層を含む。これら３つの層は、リレーのハウジングを形成している。回路基板１０２は、スイッチング層中の素子への電気接続を支持しており、また、スイッチング層の底部キャップを提供している。回路基板１０２は、例えばセラミック又はシリコンから形成されており、微小電子デバイスの製造に用いられるようなマイクロマシン技術により製作することができる。スイッチング層１０４は例えばセラミック又はガラス等から、あるいは絶縁層（セラミック等）でコーティングされた金属から形成することができる。キャップ層１０６はスイッチング層１０４の上面を覆い、スイッチング空洞１０８を封止している。キャップ層１０６は、例えばセラミック、ガラス、金属又はポリマー、あるいはこれらの材料の組み合わせから形成することができる。本実施例においては、気密封止を作るようにガラス、セラミック又は金属が用いられている。
【００１２】
図２は、キャップ層及び導電性液体を除去した状態のリレーを示す上面図である。図２を見ると、スイッチング層１０４にはスイッチング空洞１０８が設けられている。スイッチング空洞１０８はその下部が回路基板１０２により、そしてその上部がキャップ層１０６により封止されるものである。空洞は不活性気体で満たされていても良い。圧電アクチュエータ１１２はスイッチング層に取り付けられている。アクチュエータは屈曲式に変形可能であり、アクチュエータの固定されていない端部は固定接触パッド１２２及び１２４間で横方向に移動する。アクチュエータは圧電要素のスタックから構成することができる。本実施例においては、電気信号はスイッチング接触１１４及び１１６へと電気的に結合する、アクチュエータ上の更なる可動式接触１１８及び１２０を通じてスイッチング接触へとルーティングされる。追加可動式接触は、追加可動式接触とパッド１２６間を濡らす液体金属等の導電性液滴を通じて回路基板上の電気パッド１２６へと結合する。接触１１８及び１２０とスイッチング接触１１４及び１１６間の表面は、導電性液体の移動を防ぎ、適正な液体量を維持することができるように非濡れ性である。他の実施例においては、スイッチング接触１１４及び１１６への電気信号は回路トレース又はアクチュエータ１１２上の導電性コーティングを通じて供給される。固定接触パッド１２２及び１２４は、回路基板へと取り付けられている。接触の露出面は、液体金属のような導電性液体による濡れ性を持っている。電気接触を分離する外部表面は、液体の移動を防ぐように非濡れ性となっている。作動においては、アクチュエータ１１２が圧電素子への電圧印加により屈曲式に変形する。この変形により、スイッチング接触１１４及び１１６が固定接触１２２及び１２４間で移動することになる。低周波数スイッチングの場合、接触パッド１２２、１２４及び１２６は、回路基板の底部にあるパッドとはんだボールをルーティングする好適な回路を通じてマザー基板へと接続することができる。中間及び高周波数スイッチングの場合においては、スイッチング接触パッド１２２、１２４及び１２６は、回路基板１０２の端部にある短いリボンワイヤボンディングと接続することができる回路トレース１３４、１３６及び１２８をそれぞれに通じて電気接続される。さらに高周波数スイッチングの場合、回路基板１０２の上面、信号トレースのいずれかの側にグランドトレース１３０を設けることができる。これらのことは、図４を参照しつつ後に説明する。
【００１３】
図３は、図２に示したラッチングリレーを線３−３に沿って切断した場合の断面図である。この図は、回路基板１０２、スイッチング層１０４及びキャップ層１０６の３つの層を示している。圧電アクチュエータ１１２の固定されていない端部は、スイッチング空洞１０８中において固定接触パッド１２２及び１２４間で可動性を持つ。制御信号をアクチュエータ１１２へと供給する電気接続トレース（図示せず）は、回路基板１０２の上面上に形成しても、あるいは回路基板中のバイアを通しても良い。接触の表面は、液体の表面張力により所定位置に維持される導電性液滴を支持している。液滴のサイズが小さいことにより、表面張力が液滴上のあらゆる体積力をしのぎ、液滴はリレーが動いた場合であっても所定位置に維持される。接触１１４及び１２２間の液体は、２つの液滴１４０へと、それぞれが接触１１４及び１２２各々の上にある状態に分離されている。接触１１６及び１２４間の液体は、単一の塊１４２として癒着している。従って電気接続は接触１１６及び１２４間にはあるが、接触１１４及び１２２間にはない。
【００１４】
アクチュエータ１１２が第一の方向へと変形した場合、第一のスイッチング接触１１４が第一の固定接触１２２へと向かって移動し、第二のスイッチング接触１１６が第二の固定接触１２４から離れる方向に移動する。接触１１６及び１２４間の間隙が十分に大きい場合、導電性液体は接触間のブリッジをするには不十分となり、導電性液体接続１４２は絶たれる。接触１１４及び１２２間の間隙が十分に小さい場合、液滴１４０は相互に癒着して接触間に電気接続を形成する。液体の量は、アクチュエータに電源が入っておらず、スイッチバーが非変形位置にある場合に癒着液滴１４０が癒着したまま残り、分離した液滴１４２が分離したまま残ることになるように選択される。このように、リレーは新たなスイッチ状態へとラッチされるのである。スイッチ状態を図３に示した状態に戻すためには、アクチュエータ１１２を反対方向へと変形させて接触１１４及び１２２間の液体接続を絶ち、液滴１４２が再度癒着するようにすれば良い。
【００１５】
高い表面張力を持つ水銀又は他の液体金属を用いて柔軟な非接触電気接続を形成することにより、局所的な加熱による点食や酸化物堆積を回避する高い電流容量を持つリレーを作ることができる。
【００１６】
回路基板１０２の上面図を図４に示した。信号トレース１２８、１３４及び１３６が固定接触パッド１２６、１２２、１２４へとそれぞれ接続している。これらのトレースは導電性液体が濡れ性を持たない材料で覆われており、導電性液体の望ましくない転移が回避されている。上部グランドトレース１３０は信号トレースのいずれかの側に配置されており、電気的遮蔽が施されている。バイア（ｖｉａ）１５０は上部グランドトレース１３０から下部グランドトレース１３２への電気接続を提供しており、グランド電流によりスイッチング構造体のアップストリーム及びダウンストリーム信号電流を囲むことができる。トレースにおけるあらゆる湾曲は４５°未満であり、反射が最小化されている。制御信号をアクチュエータへと供給する更なる回路トレース（図示せず）もまた、回路基板上に形成することができる。代わりに、アクチュエータを基板底部に設けた好適な回路ルーティング、パッド及びはんだボールを通じて接続することも可能である。
【００１７】
図５は、図２の線５−５を通じて切断した場合の断面図である。導電性液滴１５２が接触１１８及び１２０と固定接触パッド１２６間の間隙を満たしており、これらの間に電気回路が実現されている。液体量は、圧電アクチュエータ１１２の動きにより液体接続が絶たれることがないように選択される。接触パッド１２６のいずれかの側にある上部グランドトレース１３０は、バイア１５０を通じて下部グランドトレース１３２へと結合しており、電気的遮蔽が提供されている。
【００１８】
作動の一態様においては、接触パッド１２６が共通端子として作用し、この端子に接続された信号が、アクチュエータ１１２の動きによって接触パッド１２２あるいは接触パッド１２４のいずれかにスイッチングされる。
【００１９】
本発明を特定の実施例に沿って説明してきたが、上述の説明に照らして多数の代替、変更、入れ替え及び改変が可能であることは、当業者であれば明らかである。従って、本発明はそのような代替、変更、入れ替え及び改変形態を全て請求項の範囲に入るものとして包含することを意図したものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のラッチングリレーの側面図である。
【図２】本発明のラッチングリレーのキャップ層を除去した状態を示す上面図である。
【図３】本発明のラッチングリレーの断面図である。
【図４】本発明のラッチングリレーのキャップ層を除去した状態における回路基板の上面図である。
【図５】本発明のラッチングリレーの別の側面の断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０２  回路基板
１０４  スイッチング層
１０６  キャップ層
１０８  スイッチング空洞
１１２  圧電アクチュエータ
１１４  第一のスイッチング接触
１１６  第二のスイッチング接触
１１８  第一の可動式接触
１２２  第一の固定接触パッド
１２４  第二の固定接触パッド
１２６  第三の固定接触パッド
１２８  第三の電気トレース
１３０  グランドトレース
１３２  第二のグランドトレース
１３４  第一の電気トレース
１３６  第二の電気トレース
１４０  第一の導電性液体塊
１４２  第二の導電性液体塊
１５０  バイア
１５２  第三の導電性液体塊
【図１】
2004319479.tif 000003
【図２】
2004319479.tif 000004
【図３】
2004319479.tif 000005
【図４】
2004319479.tif 000006
【図５】
2004319479.tif 000007