JP2003217422A - 長手方向圧電ラッチングリレー - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】ラッチ能力のある圧電駆動式リレーを提供する
こと。 【解決手段】本発明は液体金属(170)によりスイッチ及
びラッチする圧電駆動式リレー(100)を開示する。本リ
レー(100)は、伸長モードの圧電要素(150)の長手方向の
変位によって液体金属滴(170)を変位させ、圧電要素ま
たは基板上の少なくとも１つの接触パッド(160)と少な
くとも１つの他の固定パッドとの間を液体金属滴で濡ら
すことにより、そのスイッチ接点を閉じる。圧電要素(1
50)の運動は高速であるため、液体金属滴(170)に与えら
れる運動量は、液体金属滴(170)の塊を接触パッドまた
は駆動用圧電要素(150)付近にあるパッド(160)に接触さ
せた状態に保つ表面張力に打ち勝つ。本スイッチ(100)
は表面張力および接触パッド(160)を濡らす液体金属(17
0)によってラッチする。
こと。 【解決手段】本発明は液体金属(170)によりスイッチ及
びラッチする圧電駆動式リレー(100)を開示する。本リ
レー(100)は、伸長モードの圧電要素(150)の長手方向の
変位によって液体金属滴(170)を変位させ、圧電要素ま
たは基板上の少なくとも１つの接触パッド(160)と少な
くとも１つの他の固定パッドとの間を液体金属滴で濡ら
すことにより、そのスイッチ接点を閉じる。圧電要素(1
50)の運動は高速であるため、液体金属滴(170)に与えら
れる運動量は、液体金属滴(170)の塊を接触パッドまた
は駆動用圧電要素(150)付近にあるパッド(160)に接触さ
せた状態に保つ表面張力に打ち勝つ。本スイッチ(100)
は表面張力および接触パッド(160)を濡らす液体金属(17
0)によってラッチする。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はマイクロ・エレクト
ロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ
アセンブリに関する。さらに、本発明はスイッチングお
よびラッチングする圧電駆動式のリレーに関する。 【０００２】 【従来の技術】圧電材料および磁気ひずみ材料（以下で
はまとめて「圧電材料」と呼ぶ）は、電界や磁界を加え
たときに変形する材料である。従って、圧電材料をアク
チュエータとして用いると、２つの表面の相対位置を制
御することができる。 【０００３】圧電気は、応力を加えたときに電気分極が
生じる特定の結晶が示す性質を表す普通の用語である。
圧電結晶の代表的な例としては、水晶が挙げられる。圧
電結晶に応力を加えると、その結晶は加えられた応力に
比例した電気モーメントを発生する。 【０００４】これが本来の圧電効果である。逆に圧電結
晶を電界中に置くと、圧電結晶はその形状をわずかに変
化させる。これが逆圧電効果である。 【０００５】最も多く利用されている圧電材料の１つは
前述の水晶である。圧電気はトルマリンやロッシェル塩
などの強誘電性結晶にも現れる。これらの結晶はもとも
と自発分極を有しているので、圧電効果はこの分極の変
化として現れる。他の圧電材料としては、ある種のセラ
ミック材料およびある種のポリマー材料などが含まれ
る。圧電材料は２つの表面の相対位置を制御することが
できるので、従来から顕微鏡のバルブアクチュエータお
よび位置制御部として利用されている。圧電材料、特に
セラミックタイプの圧電材料は、大量の力を生成するこ
とができる。しかしながら、これらの圧電材料は大きな
電圧を加えても小さな変位しか生成することができな
い。圧電セラミックの場合、この変位は最大でも圧電材
料の長さの０．１％に過ぎない。そのため、圧電材料は
小さな変位しか必要としない用途についてバルブアクチ
ュエータおよび位置制御部として利用されている。 【０００６】加えられた電圧に対してもっと大きな変位
を生成するための２つの方法として、バイモルフアセン
ブリおよびスタックアセンブリが挙げられる。バイモル
フアセンブリは、互いに接合された２つの圧電セラミッ
ク材料を利用し、端部でそれらの縁を拘束して、電圧が
加えられたときに一方の圧電材料が引き伸ばされるよう
にしている。その結果、圧電材料は応力によってドーム
状になる。ドームの中心部の変位は、個々の材料の収縮
や膨張よりも大きいものになる。しかしながら、バイモ
ルフアセンブリの縁を拘束すると、得られる変位の大き
さは減少してしまう。さらにバイモルフアセンブリによ
って生成される力は、個々の材料の収縮や膨張によって
生成される力よりも著しく小さいものである。 【０００７】スタックアセンブリは、電極と交互に配置
された複数の圧電材料の層を含み、これらが互いに接続
される。電極間に加える電圧によってスタックが膨張ま
たは収縮する。スタックアセンブリの変位は、個々の材
料の変位の合計に等しい。従って、適当な変位量を得る
ためには、きわめて高い電圧や多くの層が必要になる。
しかしながら、従来のスタックアクチュエータは、圧電
材料およびスタックアセンブリを取り付けた材料に熱膨
張があるため、位置制御を行うことができない。 【０００８】圧電材料は強度すなわち剛性が大きいの
で、大面積に作用する高圧力などの大きな力に抗して開
閉を行うことができる。従って、圧電材料を用いると、
強度が大きいので大きなバルブ開口部を用いることがで
き、バルブの開閉に必要な変位すなわち動作を減らすこ
とができる。 【０００９】従来の圧電駆動式リレーは、機械部品を動
かして２つの電極構成要素を接触させることによって
「閉じる」。また、このリレーは機械部品を動かして２
つの電極構成要素を接触しないようにすることによって
「開く」。この電気的切り替え点は、固体電極の電極構
成要素間の接点に対応している。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】従来の圧電駆動式リレ
ーは通常、ラッチ能力を持たない。圧電駆動式リレーに
ラッチ機構が存在しない場合、圧電材料の残留電荷を利
用してラッチしたり、ラッチ機構を含むスイッチ接点を
駆動したりしている。圧電駆動式リレーをラッチするた
めの従来の方法および技術は信頼性に欠けている。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明は、液体金属によ
りスイッチおよびラッチする圧電駆動式リレーを開示す
る。本リレーは、伸長モードにおける圧電要素の長手方
向の変位により液体金属滴を変位させ、圧電要素または
基板上の少なくとも１つの接触パッドと少なくとも１つ
の他の固定パッドとの間を液体金属滴で濡らすことによ
り、スイッチ接点を閉じる。液体金属滴の位置を変化さ
せる同じ運動は、圧電要素上または圧電要素付近の基板
上の固定パッドと接触パッドとの間の電気接続を遮断す
る。圧電要素のこの運動は高速であるため、液体金属滴
に与えられる運動量は、液体金属の塊を接触パッドまた
は駆動用圧電要素付近のパッドに接触させた状態に維持
する表面張力に打ち勝つことができる。本スイッチは表
面張力および接触パッドを濡らす液体金属によってラッ
チする。 【００１２】本スイッチは、小さな寸法にするため、マ
イクロマシン技術を用いて製造することができる。ま
た、圧電駆動式インクジェットプリントヘッドは数ｋＨ
ｚの射出周期を有するが、スイッチ用途では流体力学が
大幅に単純であるため、スイッチング時間も比較的短
い。熱の発生も、液体金属を利用した他のＭＥＭＳリレ
ーに比較して低減されている。なぜなら、圧電要素とス
イッチのアクチュエータを通る制御電流の通路とが何ら
かの熱を発生するだけだからである。 【００１３】図１は、リレー１００の３つの層を示す本
発明の実施形態の側面図である。中間層１１０は圧電層
であり、リレー１００のスイッチング機構（図示せず）
を含む。最上層１２０はリレー１００のスイッチング機
構にキャップを提供するとともに、リレー１００のスイ
ッチング機構に障壁を提供する。キャップ層１２０はス
イッチング機構の露出を防止している。圧電層１１０の
下には基板層１３０がある。基板層１３０は土台して機
能するとともに、存在しうる複数の回路要素に対し共通
の基盤を提供する。 【００１４】図２は、本発明によるリレー１００の実施
形態の断面図である。図２は図１の断面図でもある。最
上層１２０および基板層１３０はいずれの断面図でも変
わりない。最上層１２０および基板層１３０は固体の層
を形成し、障壁及び／又は他の電気的構成要素と接続す
るための媒体を提供する。圧電層１１０は、リレー１０
０のスイッチング機構を囲うチャンバ１４０を有する。
このスイッチング機構には、一対の圧電要素１５０、複
数のスイッチ接点１６０、及び、可動の液体１７０が含
まれる。可動の液体は電気的に導電性であり、スイッチ
接点１６０を濡らす物理的性質を有する。本発明の好ま
しい実施形態では、この可動の液体１７０は、スイッチ
接点１６０を濡らすことが可能な液体金属である。その
ような液体金属の１つはゲルマニウムである。本発明の
最も好ましい実施形態では、この液体金属は水銀であ
る。 【００１５】動作時、スイッチング機構は、圧電要素１
５０の長手方向の変位によって動作する。圧電要素１５
０に電荷を与えると、その電荷により圧電要素１５０が
伸長する。一方の圧電要素の変位により可動の液滴１７
０が変位される。圧電要素１５０の伸長は高速かつ強力
であるため、液体１７０にピンポン効果が生じる。液体
１７０が接触パッド１６０を濡らし、ラッチ効果を生じ
させる。圧電要素１５０から電荷が取り除かれても、液
体は元の位置へ戻ることなく接触パッド１６０を濡らし
た状態に留まる。図２の場合、左側の圧電要素１５０に
はすでに電荷が与えられて伸長され、液体１７０に物理
的衝撃を与え、液体１７０の一部が右側までピンポンさ
れ、遠く離れた右側の接触パッド１６０を濡らす液体１
７０と結合されている。前述のように、圧電要素１５０
の伸長運動は液滴１７０に与えられる運動量は液滴１７
０の塊を接触パッドに接触させた状態に維持する表面張
力に打ち勝つ。本スイッチング機構は、表面張力および
接触パッドを濡らす液体１７０によってラッチする。 【００１６】図示した長手方向に変位する圧電要素が例
示にすぎないことは当業者にとって明らかである。本発
明を実施する際に利用することが可能な種々の圧電モー
ドが存在することは明らかである。例えば、屈曲モード
の圧電要素やせん断モードの圧電要素を用いることが可
能である。せん断モードの圧電要素は、電荷を与えると
せん断動作をするように動作する。また、本発明に含ま
れるラッチ機構は液体を移動させる手段とは無関係であ
ることも分かるであろう。ピンポン効果を生じさせるの
に十分な力を与えることの可能ないかなる手段でも、本
発明の目的を満たすことができる。 【００１７】図３は、スイッチ接点１６０を有する基板
層１３０を示す平面図である。スイッチ接点１６０は、
信号経路を形成するため、基板１３０を通して図２に示
す面の反対側にあるはんだ球まで接続することができ
る。あるいは、回路トレースおよび接触パッドを図２に
示す面に設けることもできる。 【００１８】図４は圧電要素１５０およびチャンバ１４
０を示すリレー１００の圧電層の平面図である。図４
は、本発明の好ましい実施形態として接触パッド１６０
間の空間に接続された排気通路１８０も図示している。
圧電要素１５０用の回路トレースおよび可動の液体１７
０は図示していない。排気通路１８０によって、可動の
液体１７０がチャンバ１４０のい歩うの側から他方の側
へ衝撃を受けたときに、チャンバ１４０の排気が可能に
なる。この排気により、可動の液体１７０の移動が妨げ
られることがなくなる。排気通路１８０は、図３の接触
パッド１６０間の部分ではチャンバ１４０と同一の空間
を占める。 【００１９】図５は、図４の圧電層をＡ−Ａの点で切断
したときの断面透視図である。この実施形態の場合、排
気通路１８０は圧電層１１０の厚さ全体を通して延びて
はいない。当業者であれば、排気通路１８０は圧電層１
１０の厚さ全体を通して延ばすこともできるし、一方の
側から部分的にだけ延びるようにすることもできること
が分かるであろう。圧電要素１５０用の回路トレースは
図５には図示していない。 【００２０】図６は、基板層１２０の平面図である。こ
の基板層は材料の固体シートである。基板層１２０は、
リレー１００を覆い、チャンバ１４０の上部を形成する
働きがある。 【００２１】図７は、本発明のリレー１００の代替の実
施形態を示す図である。動作時、このスイッチング機構
は、圧電要素１５０の長手方向の変位によって動作す
る。圧電要素１５０に電荷を与えると、圧電要素１５０
が伸長する。一方の圧電要素１５０の伸長により、可動
の液滴１７０が変位される。圧電要素１５０の伸長は高
速かつ強力であるため、液体１７０にピンポン効果が生
じる。液体１７０が接触パッド１６０を濡らし、ラッチ
効果が生じる。圧電要素１５０の各々は、その端部に固
定された湿潤力を増す働きがあるパッド１９０を有す
る。この付加的なパッド１９０は可動の液体１７０の表
面張力を増加させ、液体１７０の一部が端にある接触パ
ッド１６０に残るようにする。また、このパッド１９０
は、通路の端部にある液体金属と電気的に接触させる手
段も提供する。相互接続トレースは図示していない。ま
た、図７には、チャンバ１４０内の接触パッド１６０間
で空気を通す排気通路も図示していない。 【００２２】圧電要素１５０から電荷が取り除かれて
も、液体は元の位置には戻らず、接触パッド１６０を濡
らした状態に留まる。図２の場合、左側の圧電要素１５
０にはすでに電荷が与えられ伸長を生じており、液体１
７０に物理的衝撃を与え、液体１７０の一部を右側まで
ピンポンさせ、遠く右側にある接触パッド１６０を濡ら
す液体１７０と結合されている。前述のように、圧電要
素１５０の伸長運動は高速であるため、液滴１７０に与
えられる運動量は液滴１７０の塊を接触パッドに接触さ
せた状態に維持する表面張力に打ち勝つ。本スイッチン
グ機構は、表面張力及び接触パッドを濡らす液体１７０
によってラッチする。 【００２３】本発明の特定の実施形態を説明してきた
が、当業者であれば本発明の特許請求の範囲内で種々の
変更を行うことが可能である。 【００２４】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。 １．チャンバ(140)と、互いに等間隔で配置された第
１、第２及び第３の接触パッド(160)であって、該接触
パッドの各々の少なくとも一部が前記チャンバ内に存在
する、第１、第２及び第３の接触パッド(160)と、前記
チャンバ(140)内に互いに対向して配置された第１及び
第２の圧電要素(150)と、前記チャンバ(140)内の可動の
導電性液体(170)であって、該液体(170)の第１の部分が
前記第１の接触パッド(160)を濡らし、前記液体の部分
が前記第２の接触パッドと前記第３の接触パッド(160)
との両方を濡らすようになっている可動の導電性液体(1
70)とから構成され、前記第２及び第３の接触パッド(16
0)を濡らす前記液体の部分が前記第１の接触パッド(16
0)を濡らす部分の方へ移動可能である、圧電式ラッチン
グリレー(100)。 ２．前記チャンバ(140)の上のキャップ材料の層と、前
記チャンバの下の基板材料の層とをさらに含み、前記第
１、第２及び第３の接触パッドの少なくとも一部が前記
チャンバ(140)内にある、項番１のリレー(100) ３．前記可動の導電性液体(170)が液体金属である、項
番２のリレー(100)。 ４．前記液体金属(170)がゲルマニウムである、項番３
のリレー(100)。 ５．前記第１及び第２の圧電要素(150)が長手方向に変
位可能である、項番４のリレー(100)。 ６．前記第１の圧電要素(150)及び前記第２の圧電要素
(150)が屈曲モードの圧電要素である、項番４のリレー
(100)。 ７．前記第１の圧電要素及び前記第２の圧電要素がせん
断モードの圧電要素である、項番４のリレー(100) ８．前記液体金属(170)が水銀である、項番３のリレー
(100)。 ９．前記第１及び第２の圧電要素が長手方向に変位可能
である、項番９のリレー(100)。 １０．前記第１及び第２の圧電要素(150)が屈曲モード
の圧電要素である、項番８のリレー(100)。 １１．前記第１及び第２の圧電要素(150)がせん断モー
ドの圧電要素である、項番８のリレー(100)。 １２．キャップ層(120)と、前記キャップ層の下に配置
された圧電層(110)と、前記圧電層(110)の下に配置さ
れ、チャンバ(140)を含む基板層(130)と、互いに等間隔
で配置された第１、第２及び第３の接触パッド(160)で
あって、該接触パッドの各々の少なくとも一部が前記チ
ャンバ内にある、第１、第２及び第３の接触パッド(16
0)と、前記チャンバ(140)内に互いに対向して配置され
た第１及び第２の圧電要素(150)と、前記チャンバ(140)
内の可動の導電性液体(170)であって、該液体(170)の第
１の部分が前記第１の接触パッド(160)を濡らし、前記
液体(170)の部分が前記第２及び第３の接触パッドの両
方を濡らすようになっている可動の導電性液体(170)と
から構成され、前記第２及び第３の接触パッド(160)の
両方を濡らす前記液体(170)の部分が前記第１の接触パ
ッド(160)を濡らす部分の方へ移動可能である、圧電式
ラッチングリレー(100)。 １３．前記可動の導電性液体(170)が液体金属である、
項番１２のリレー(100)。 １４．前記液体金属(170)が水銀である、項番１３のリ
レー(100)。 １５．前記第１及び第２の圧電要素(150)が長手方向に
変位可能である、項番１４のリレー(100)。 １６．前記第１及び第２の圧電要素(150)が屈曲モード
の圧電要素である、項番１４のリレー(100)。 １７．前記第１及び第２の圧電要素(150)がせん断モー
ドの圧電要素である、項番１４のリレー(100)。 １８．前記液体金属(170)がゲルマニウムである、項番
１３のリレー(100)。 １９．前記第１及び第２の圧電要素(150)が長手方向に
変位可能である、項番１８のリレー(100)。 ２０．前記第１及び第２の圧電要素(150)が屈曲モード
の圧電要素である、項番１８のリレー(100)。 ２１．前記第１及び第２の圧電要素(150)がせん断モー
ドの圧電要素である、項番１８のリレー(100)。 【００２５】 【発明の効果】本発明は、上記のように構成することに
より、ラッチ能力のある圧電駆動式リレーを提供するこ
とができる。
ロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ
アセンブリに関する。さらに、本発明はスイッチングお
よびラッチングする圧電駆動式のリレーに関する。 【０００２】 【従来の技術】圧電材料および磁気ひずみ材料（以下で
はまとめて「圧電材料」と呼ぶ）は、電界や磁界を加え
たときに変形する材料である。従って、圧電材料をアク
チュエータとして用いると、２つの表面の相対位置を制
御することができる。 【０００３】圧電気は、応力を加えたときに電気分極が
生じる特定の結晶が示す性質を表す普通の用語である。
圧電結晶の代表的な例としては、水晶が挙げられる。圧
電結晶に応力を加えると、その結晶は加えられた応力に
比例した電気モーメントを発生する。 【０００４】これが本来の圧電効果である。逆に圧電結
晶を電界中に置くと、圧電結晶はその形状をわずかに変
化させる。これが逆圧電効果である。 【０００５】最も多く利用されている圧電材料の１つは
前述の水晶である。圧電気はトルマリンやロッシェル塩
などの強誘電性結晶にも現れる。これらの結晶はもとも
と自発分極を有しているので、圧電効果はこの分極の変
化として現れる。他の圧電材料としては、ある種のセラ
ミック材料およびある種のポリマー材料などが含まれ
る。圧電材料は２つの表面の相対位置を制御することが
できるので、従来から顕微鏡のバルブアクチュエータお
よび位置制御部として利用されている。圧電材料、特に
セラミックタイプの圧電材料は、大量の力を生成するこ
とができる。しかしながら、これらの圧電材料は大きな
電圧を加えても小さな変位しか生成することができな
い。圧電セラミックの場合、この変位は最大でも圧電材
料の長さの０．１％に過ぎない。そのため、圧電材料は
小さな変位しか必要としない用途についてバルブアクチ
ュエータおよび位置制御部として利用されている。 【０００６】加えられた電圧に対してもっと大きな変位
を生成するための２つの方法として、バイモルフアセン
ブリおよびスタックアセンブリが挙げられる。バイモル
フアセンブリは、互いに接合された２つの圧電セラミッ
ク材料を利用し、端部でそれらの縁を拘束して、電圧が
加えられたときに一方の圧電材料が引き伸ばされるよう
にしている。その結果、圧電材料は応力によってドーム
状になる。ドームの中心部の変位は、個々の材料の収縮
や膨張よりも大きいものになる。しかしながら、バイモ
ルフアセンブリの縁を拘束すると、得られる変位の大き
さは減少してしまう。さらにバイモルフアセンブリによ
って生成される力は、個々の材料の収縮や膨張によって
生成される力よりも著しく小さいものである。 【０００７】スタックアセンブリは、電極と交互に配置
された複数の圧電材料の層を含み、これらが互いに接続
される。電極間に加える電圧によってスタックが膨張ま
たは収縮する。スタックアセンブリの変位は、個々の材
料の変位の合計に等しい。従って、適当な変位量を得る
ためには、きわめて高い電圧や多くの層が必要になる。
しかしながら、従来のスタックアクチュエータは、圧電
材料およびスタックアセンブリを取り付けた材料に熱膨
張があるため、位置制御を行うことができない。 【０００８】圧電材料は強度すなわち剛性が大きいの
で、大面積に作用する高圧力などの大きな力に抗して開
閉を行うことができる。従って、圧電材料を用いると、
強度が大きいので大きなバルブ開口部を用いることがで
き、バルブの開閉に必要な変位すなわち動作を減らすこ
とができる。 【０００９】従来の圧電駆動式リレーは、機械部品を動
かして２つの電極構成要素を接触させることによって
「閉じる」。また、このリレーは機械部品を動かして２
つの電極構成要素を接触しないようにすることによって
「開く」。この電気的切り替え点は、固体電極の電極構
成要素間の接点に対応している。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】従来の圧電駆動式リレ
ーは通常、ラッチ能力を持たない。圧電駆動式リレーに
ラッチ機構が存在しない場合、圧電材料の残留電荷を利
用してラッチしたり、ラッチ機構を含むスイッチ接点を
駆動したりしている。圧電駆動式リレーをラッチするた
めの従来の方法および技術は信頼性に欠けている。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明は、液体金属によ
りスイッチおよびラッチする圧電駆動式リレーを開示す
る。本リレーは、伸長モードにおける圧電要素の長手方
向の変位により液体金属滴を変位させ、圧電要素または
基板上の少なくとも１つの接触パッドと少なくとも１つ
の他の固定パッドとの間を液体金属滴で濡らすことによ
り、スイッチ接点を閉じる。液体金属滴の位置を変化さ
せる同じ運動は、圧電要素上または圧電要素付近の基板
上の固定パッドと接触パッドとの間の電気接続を遮断す
る。圧電要素のこの運動は高速であるため、液体金属滴
に与えられる運動量は、液体金属の塊を接触パッドまた
は駆動用圧電要素付近のパッドに接触させた状態に維持
する表面張力に打ち勝つことができる。本スイッチは表
面張力および接触パッドを濡らす液体金属によってラッ
チする。 【００１２】本スイッチは、小さな寸法にするため、マ
イクロマシン技術を用いて製造することができる。ま
た、圧電駆動式インクジェットプリントヘッドは数ｋＨ
ｚの射出周期を有するが、スイッチ用途では流体力学が
大幅に単純であるため、スイッチング時間も比較的短
い。熱の発生も、液体金属を利用した他のＭＥＭＳリレ
ーに比較して低減されている。なぜなら、圧電要素とス
イッチのアクチュエータを通る制御電流の通路とが何ら
かの熱を発生するだけだからである。 【００１３】図１は、リレー１００の３つの層を示す本
発明の実施形態の側面図である。中間層１１０は圧電層
であり、リレー１００のスイッチング機構（図示せず）
を含む。最上層１２０はリレー１００のスイッチング機
構にキャップを提供するとともに、リレー１００のスイ
ッチング機構に障壁を提供する。キャップ層１２０はス
イッチング機構の露出を防止している。圧電層１１０の
下には基板層１３０がある。基板層１３０は土台して機
能するとともに、存在しうる複数の回路要素に対し共通
の基盤を提供する。 【００１４】図２は、本発明によるリレー１００の実施
形態の断面図である。図２は図１の断面図でもある。最
上層１２０および基板層１３０はいずれの断面図でも変
わりない。最上層１２０および基板層１３０は固体の層
を形成し、障壁及び／又は他の電気的構成要素と接続す
るための媒体を提供する。圧電層１１０は、リレー１０
０のスイッチング機構を囲うチャンバ１４０を有する。
このスイッチング機構には、一対の圧電要素１５０、複
数のスイッチ接点１６０、及び、可動の液体１７０が含
まれる。可動の液体は電気的に導電性であり、スイッチ
接点１６０を濡らす物理的性質を有する。本発明の好ま
しい実施形態では、この可動の液体１７０は、スイッチ
接点１６０を濡らすことが可能な液体金属である。その
ような液体金属の１つはゲルマニウムである。本発明の
最も好ましい実施形態では、この液体金属は水銀であ
る。 【００１５】動作時、スイッチング機構は、圧電要素１
５０の長手方向の変位によって動作する。圧電要素１５
０に電荷を与えると、その電荷により圧電要素１５０が
伸長する。一方の圧電要素の変位により可動の液滴１７
０が変位される。圧電要素１５０の伸長は高速かつ強力
であるため、液体１７０にピンポン効果が生じる。液体
１７０が接触パッド１６０を濡らし、ラッチ効果を生じ
させる。圧電要素１５０から電荷が取り除かれても、液
体は元の位置へ戻ることなく接触パッド１６０を濡らし
た状態に留まる。図２の場合、左側の圧電要素１５０に
はすでに電荷が与えられて伸長され、液体１７０に物理
的衝撃を与え、液体１７０の一部が右側までピンポンさ
れ、遠く離れた右側の接触パッド１６０を濡らす液体１
７０と結合されている。前述のように、圧電要素１５０
の伸長運動は液滴１７０に与えられる運動量は液滴１７
０の塊を接触パッドに接触させた状態に維持する表面張
力に打ち勝つ。本スイッチング機構は、表面張力および
接触パッドを濡らす液体１７０によってラッチする。 【００１６】図示した長手方向に変位する圧電要素が例
示にすぎないことは当業者にとって明らかである。本発
明を実施する際に利用することが可能な種々の圧電モー
ドが存在することは明らかである。例えば、屈曲モード
の圧電要素やせん断モードの圧電要素を用いることが可
能である。せん断モードの圧電要素は、電荷を与えると
せん断動作をするように動作する。また、本発明に含ま
れるラッチ機構は液体を移動させる手段とは無関係であ
ることも分かるであろう。ピンポン効果を生じさせるの
に十分な力を与えることの可能ないかなる手段でも、本
発明の目的を満たすことができる。 【００１７】図３は、スイッチ接点１６０を有する基板
層１３０を示す平面図である。スイッチ接点１６０は、
信号経路を形成するため、基板１３０を通して図２に示
す面の反対側にあるはんだ球まで接続することができ
る。あるいは、回路トレースおよび接触パッドを図２に
示す面に設けることもできる。 【００１８】図４は圧電要素１５０およびチャンバ１４
０を示すリレー１００の圧電層の平面図である。図４
は、本発明の好ましい実施形態として接触パッド１６０
間の空間に接続された排気通路１８０も図示している。
圧電要素１５０用の回路トレースおよび可動の液体１７
０は図示していない。排気通路１８０によって、可動の
液体１７０がチャンバ１４０のい歩うの側から他方の側
へ衝撃を受けたときに、チャンバ１４０の排気が可能に
なる。この排気により、可動の液体１７０の移動が妨げ
られることがなくなる。排気通路１８０は、図３の接触
パッド１６０間の部分ではチャンバ１４０と同一の空間
を占める。 【００１９】図５は、図４の圧電層をＡ−Ａの点で切断
したときの断面透視図である。この実施形態の場合、排
気通路１８０は圧電層１１０の厚さ全体を通して延びて
はいない。当業者であれば、排気通路１８０は圧電層１
１０の厚さ全体を通して延ばすこともできるし、一方の
側から部分的にだけ延びるようにすることもできること
が分かるであろう。圧電要素１５０用の回路トレースは
図５には図示していない。 【００２０】図６は、基板層１２０の平面図である。こ
の基板層は材料の固体シートである。基板層１２０は、
リレー１００を覆い、チャンバ１４０の上部を形成する
働きがある。 【００２１】図７は、本発明のリレー１００の代替の実
施形態を示す図である。動作時、このスイッチング機構
は、圧電要素１５０の長手方向の変位によって動作す
る。圧電要素１５０に電荷を与えると、圧電要素１５０
が伸長する。一方の圧電要素１５０の伸長により、可動
の液滴１７０が変位される。圧電要素１５０の伸長は高
速かつ強力であるため、液体１７０にピンポン効果が生
じる。液体１７０が接触パッド１６０を濡らし、ラッチ
効果が生じる。圧電要素１５０の各々は、その端部に固
定された湿潤力を増す働きがあるパッド１９０を有す
る。この付加的なパッド１９０は可動の液体１７０の表
面張力を増加させ、液体１７０の一部が端にある接触パ
ッド１６０に残るようにする。また、このパッド１９０
は、通路の端部にある液体金属と電気的に接触させる手
段も提供する。相互接続トレースは図示していない。ま
た、図７には、チャンバ１４０内の接触パッド１６０間
で空気を通す排気通路も図示していない。 【００２２】圧電要素１５０から電荷が取り除かれて
も、液体は元の位置には戻らず、接触パッド１６０を濡
らした状態に留まる。図２の場合、左側の圧電要素１５
０にはすでに電荷が与えられ伸長を生じており、液体１
７０に物理的衝撃を与え、液体１７０の一部を右側まで
ピンポンさせ、遠く右側にある接触パッド１６０を濡ら
す液体１７０と結合されている。前述のように、圧電要
素１５０の伸長運動は高速であるため、液滴１７０に与
えられる運動量は液滴１７０の塊を接触パッドに接触さ
せた状態に維持する表面張力に打ち勝つ。本スイッチン
グ機構は、表面張力及び接触パッドを濡らす液体１７０
によってラッチする。 【００２３】本発明の特定の実施形態を説明してきた
が、当業者であれば本発明の特許請求の範囲内で種々の
変更を行うことが可能である。 【００２４】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。 １．チャンバ(140)と、互いに等間隔で配置された第
１、第２及び第３の接触パッド(160)であって、該接触
パッドの各々の少なくとも一部が前記チャンバ内に存在
する、第１、第２及び第３の接触パッド(160)と、前記
チャンバ(140)内に互いに対向して配置された第１及び
第２の圧電要素(150)と、前記チャンバ(140)内の可動の
導電性液体(170)であって、該液体(170)の第１の部分が
前記第１の接触パッド(160)を濡らし、前記液体の部分
が前記第２の接触パッドと前記第３の接触パッド(160)
との両方を濡らすようになっている可動の導電性液体(1
70)とから構成され、前記第２及び第３の接触パッド(16
0)を濡らす前記液体の部分が前記第１の接触パッド(16
0)を濡らす部分の方へ移動可能である、圧電式ラッチン
グリレー(100)。 ２．前記チャンバ(140)の上のキャップ材料の層と、前
記チャンバの下の基板材料の層とをさらに含み、前記第
１、第２及び第３の接触パッドの少なくとも一部が前記
チャンバ(140)内にある、項番１のリレー(100) ３．前記可動の導電性液体(170)が液体金属である、項
番２のリレー(100)。 ４．前記液体金属(170)がゲルマニウムである、項番３
のリレー(100)。 ５．前記第１及び第２の圧電要素(150)が長手方向に変
位可能である、項番４のリレー(100)。 ６．前記第１の圧電要素(150)及び前記第２の圧電要素
(150)が屈曲モードの圧電要素である、項番４のリレー
(100)。 ７．前記第１の圧電要素及び前記第２の圧電要素がせん
断モードの圧電要素である、項番４のリレー(100) ８．前記液体金属(170)が水銀である、項番３のリレー
(100)。 ９．前記第１及び第２の圧電要素が長手方向に変位可能
である、項番９のリレー(100)。 １０．前記第１及び第２の圧電要素(150)が屈曲モード
の圧電要素である、項番８のリレー(100)。 １１．前記第１及び第２の圧電要素(150)がせん断モー
ドの圧電要素である、項番８のリレー(100)。 １２．キャップ層(120)と、前記キャップ層の下に配置
された圧電層(110)と、前記圧電層(110)の下に配置さ
れ、チャンバ(140)を含む基板層(130)と、互いに等間隔
で配置された第１、第２及び第３の接触パッド(160)で
あって、該接触パッドの各々の少なくとも一部が前記チ
ャンバ内にある、第１、第２及び第３の接触パッド(16
0)と、前記チャンバ(140)内に互いに対向して配置され
た第１及び第２の圧電要素(150)と、前記チャンバ(140)
内の可動の導電性液体(170)であって、該液体(170)の第
１の部分が前記第１の接触パッド(160)を濡らし、前記
液体(170)の部分が前記第２及び第３の接触パッドの両
方を濡らすようになっている可動の導電性液体(170)と
から構成され、前記第２及び第３の接触パッド(160)の
両方を濡らす前記液体(170)の部分が前記第１の接触パ
ッド(160)を濡らす部分の方へ移動可能である、圧電式
ラッチングリレー(100)。 １３．前記可動の導電性液体(170)が液体金属である、
項番１２のリレー(100)。 １４．前記液体金属(170)が水銀である、項番１３のリ
レー(100)。 １５．前記第１及び第２の圧電要素(150)が長手方向に
変位可能である、項番１４のリレー(100)。 １６．前記第１及び第２の圧電要素(150)が屈曲モード
の圧電要素である、項番１４のリレー(100)。 １７．前記第１及び第２の圧電要素(150)がせん断モー
ドの圧電要素である、項番１４のリレー(100)。 １８．前記液体金属(170)がゲルマニウムである、項番
１３のリレー(100)。 １９．前記第１及び第２の圧電要素(150)が長手方向に
変位可能である、項番１８のリレー(100)。 ２０．前記第１及び第２の圧電要素(150)が屈曲モード
の圧電要素である、項番１８のリレー(100)。 ２１．前記第１及び第２の圧電要素(150)がせん断モー
ドの圧電要素である、項番１８のリレー(100)。 【００２５】 【発明の効果】本発明は、上記のように構成することに
より、ラッチ能力のある圧電駆動式リレーを提供するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるリレーの３つの層を示す側面図で
ある。 【図２】本発明によるリレーの断面図である。 【図３】本発明による回路基板およびスイッチ接点の平
面図である。 【図４】本発明による圧電層の平面図である。 【図５】本発明による圧電層の断面透視図である。 【図６】本発明によるキャップ層の平面図である。 【図７】本発明によるリレーの代替実施形態の断面図で
ある。 【符号の説明】 １００ リレー １２０ キャップ層 １３０ 基板層 １４０ チャンバ １５０ 圧電要素 １６０ 接触パッド １７０ 液体
ある。 【図２】本発明によるリレーの断面図である。 【図３】本発明による回路基板およびスイッチ接点の平
面図である。 【図４】本発明による圧電層の平面図である。 【図５】本発明による圧電層の断面透視図である。 【図６】本発明によるキャップ層の平面図である。 【図７】本発明によるリレーの代替実施形態の断面図で
ある。 【符号の説明】 １００ リレー １２０ キャップ層 １３０ 基板層 １４０ チャンバ １５０ 圧電要素 １６０ 接触パッド １７０ 液体
フロントページの続き
(72)発明者 アーサー・フォン
アメリカ合衆国コロラド州80919，コロラ
ドスプリングス，ソーバック・トレイル・
7940
(72)発明者 マーヴィン・グレン・ウォン
アメリカ合衆国コロラド州80863，ウッド
ランドパーク，ハニー・ヒル・レーン・93
Ｆターム(参考） 5G051 BA04 BA15
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】チャンバ(140)と、 互いに等間隔で配置された第１、第２及び第３の接触パ
ッド(160)であって、該接触パッドの各々の少なくとも
一部が前記チャンバ内に存在する、第１、第２及び第３
の接触パッド(160)と、 前記チャンバ(140)内に互いに対向して配置された第１
及び第２の圧電要素(150)と、 前記チャンバ(140)内の可動の導電性液体(170)であっ
て、該液体(170)の第１の部分が前記第１の接触パッド
(160)を濡らし、前記液体の部分が前記第２の接触パッ
ドと前記第３の接触パッド(160)との両方を濡らすよう
になっている可動の導電性液体(170)とから構成され、 前記第２及び第３の接触パッド(160)を濡らす前記液体
の部分が前記第１の接触パッド(160)を濡らす部分の方
へ移動可能である、圧電式ラッチングリレー(100)。
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