JP2004319483A - 電磁リレー - Google Patents

Abstract

【課題】液体表面張力によりラッチする電磁駆動リレーを提供すること。
【解決手段】本発明は、固体スラグがチャネル内を移動し、電気的接続を行ったり解除したりする電気リレーに関する。固体スラグは、電磁石によって移動される。好適な実施形態において、スラグは導電性の液体金属のような液体によって湿潤し、チャネル内の湿潤性の接点パッドに付着して、ラッチ機構を提供する。リレーは、微細加工技術の適用により作成される。
【選択図】図２

Description

本発明は電磁切り替えリレーに関し、特に液体表面張力によりラッチする電磁駆動リレーに関する。

ラッチリレーは、航空宇宙産業やＲＦ通信や可搬式電子機器等のアプリケーションに広く用いられている。従来の電機式リレーは、磁性アーマチュアを駆動して接点を開路或いは閉路させる電磁アーマチュアを駆動する電磁石を励磁することで動作する。磁石の励磁を解くと、ばねがアーマチュアをその元の位置へ復元させる。同様の技法が、超微細電子製造法を用いた超微細電機（ＭＥＭＳ）リレーに適用されてきた。ＭＥＭＳスイッチ内でのラッチは、達成困難である。一つの手法は、永久磁石の磁界内で片持ち梁を用いるものである。この梁は双安定（bistable）であり、磁石により近い方の端部が磁石に吸引される。

液体金属は、電気リレーにも用いられている。液体金属液滴は、静電力や熱膨張／収縮に起因する可変構造や圧力勾配を含む様々な技術により移動させることができる。対象となる外形寸法を縮減すると、液体金属の表面張力は体積力（慣性）等の他の力を上回る支配的な力となる。従って、一部の超微細電機（ＭＥＭ；ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）システムは液体金属のスイッチングを利用する。
米国特許第６，３２３，４４７号明細書 米国特許第６，３７３，３５６号明細書 米国特許第６，５１２，３２２号明細書 米国特許第６，５１５，４０４号明細書 特開平９−１６１６４０号公報 特開昭３６−１８５７５号公報 特開昭４７−２１６４５号公報 Marvin Glenn Wong, “A Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch”, May 2, 2002, patent application (pending), 12 pages of specification, 5 pages of claims, 1 page of abstract, and 10 sheets of drawings(Fig.1-10) Jonathan Simon, "A Liquid-Filled Microrelay With A Moving Mercury Microdrop" (Sept, 1997) Journal of Microelectromechinical Systems, Vol. 6, No.3 PP 208-216

電磁リレーを提供することを目的とする。

本発明は、固体スラグをチャネル内で移動させ、電気的接続を閉路或いは開路するのに用いる電気リレーに関する。固体スラグは、電磁石により移動させる。特定の実施形態によれば、スラグは液体金属等の液体により湿潤し、液体はチャネル内の湿潤可能な金属接点パッドにも付着してラッチ機構を提供する。

新規性があるものと考える本発明の特徴は、添付の特許請求の範囲に詳細に記載してある。しかしながら、本発明自体は、その目的及び利点と併せ構成と動作方法の両方について本発明の以下の詳細な説明を参照することで最も良く理解でき、この説明には添付図面と併せ本発明の幾つかの例示的実施形態が記載してある。

本発明は多くの異なる形態による実施余地があるが、本開示を本発明原理の例示として考えるべきであって、図示し説明する特定の実施形態に本発明を限定する意図のないことを理解した上で、１以上の具体的な実施形態を図面に図示しかつここに詳細に説明するものとする。以下の説明では、図面の幾つかの図において同一部分や類似部分或いは対応部分は同様の参照符号を用いて記述してある。

本発明は、湿潤可能な磁性固体スラグと液体により切り替わってラッチする電磁駆動ラッチリレーに関する。好適な実施形態では、リレーは電磁石の磁界を用いて固体磁性スラグを移動させる。スラグは電路を閉路或いは開路し、電気信号の切り替えを可能にする。磁界が存在しない場合、固体スラグは好ましくは水銀等液体金属の液体の表面張力により所定場所に保持され、この液体が固体スラグとリレーハウジング上の少なくとも一つの固定接点パッドとの間を湿潤する。

一実施形態では、リレーの製造に超微細加工技法を用いる。ラッチ電気リレー１００の図が、図１に示してある。本実施形態では、リレーの本体すなわちハウジングは３層からできており、超微細加工に適している。最下層は、図３及び図６を参照して以下により詳述する回路基板１０２である。次の層は、切り替え層１０４である。電気信号の切り替えは、この層に含まれる切り替えチャネル内で生起する。切り替え層１０４はまた、切り替えチャネル内の圧力変動を解放する圧力解放通気孔を含む。キャップ層１０６は、切り替えチャネルの頂部にシールをもたらす。電気コイル１０８，１１０はリレーハウジングを取り囲んでおり、切り替え機構の駆動に用いられる。２−２線断面が、図２に示してある。

図２は、図１に示したリレーの２−２線断面を通る断面図である。電気コイル１０８が、リレーハウジングを取り囲んでいる。切り替えチャネル１１２は、切り替え層１０４内に形成してある。回路基板１０２上に、電気接点パッド１１８が形成してある。接点パッド１１８は、液体金属等の導電液体により湿潤可能な面を有する。固体スラグ１２０が切り替えチャネル１１２内に配置してあり、チャネル沿いに動かすことができる。固体スラグの動きは、導電液体１２２の表面張力により抵抗を受ける。圧力解放路１２６が、切り替えチャネル（或いは追加の層）内にも形成してある。圧力解放路１２６は切り替えチャネルの端部へ開放されており、固体スラグがチャネル沿いに移動したときに切り替えチャネルの一端から他端へ気体を移動させる。

リレーの長手方向垂直断面図が、図３に示してある。切り替えチャネル１１２は、切り替え層１０４内に形成してある。固体スラグ１２０は、切り替えチャネル内に移動可能に配置してある。３個の接点パッド１１４，１１６，１１８が、切り替えチャネル内で回路基板１０２に固着してある。これらの接点パッドは、蒸着或いは他の超微細加工により回路基板１０２上に形成することができる。この接点パッドは、導電液体１２２，１２４により湿潤可能である。固体スラグ１２０を図３に示すように配置すると、液体１２２が固体スラグの面と接点パッド１１６，１１８の面を湿潤する。表面張力が、固体スラグをこの位置に保持する。追加の液体１２４が、接点パッド１１４を湿潤する。

固体スラグが図３に示す位置を占めると、接点パッド１１６，１１８間の電路がスラグと液体により閉路され、その一方で接点パッド１１４，１１６間の電路は開路する。リレーのスイッチ状態を変えるため、電気コイル１０８をそこを流れる電流を通電して励磁する。これにより切り替えチャネル１１２内に磁界が発生し、固体スラグ１２０は励磁されたコイル１０８へ向け磁気的に吸い寄せられる。表面張力ラッチは壊れ、固体スラグは切り替えチャネルの左端部、すなわち図４に示した位置へ引き寄せられる。図４を参照するに、固体スラグ１２０はそこで接点パッド１１４，１１６に湿潤接触し、それらの間の電気回路を閉路する。電気コイル１０８はここで消磁できるが、これは固体スラグが液体の表面張力によって新たな位置に保持されるであろうからである。これ故、リレーはその新たな位置にラッチされる。この新たな位置では、接点パッド１１４，１１６間の電路が閉路するのに対し、接点パッド１１６，１１８間の電路は開路する。

コイル１１０を励磁して固体スラグを移動させることで、スイッチ状態は図３に示した元の状態に切り替え復帰させることができる。固体スラグが一旦その元の位置へ復帰すると、そのコイルの励磁は解除されるが、それはスラグが液体の表面張力によって所定位置にラッチされるからである。

図５は、回路基板１０２の上面図である。３個の接点パッド１１４，１１６，１１８が、基板上に形成してある。接点パッドの面は、切り替えチャネル内の液体により湿潤可能である。接点パッドは、好ましくは湿潤可能な金属で構成される。導電体（図示せず）が、接触パッドへの電気的な接続をもたらすのに用いられる。一実施形態では、これらの導体が回路基板内の貫通孔を通り、基板下側のはんだボールにて終端してある。さらなる実施形態では、導体は回路基板１０２の面と接点パッドから基板端部へのリード線とに付着させてある。３−３線断面が、図３に示してある。

図６は、切り替え層１０４の上面図である。切り替えチャネル１１２が、層内に形成してある。層内には圧力解放路１２６も形成してあり、これを通気孔チャネル１３０，１３２によって切り替えチャネル１１２に結合してある。通気孔チャネルは、切り替えチャネルから通気孔チャネルを通過する流体の流れを抑制することで固体スラグの動きを緩衝する大きさを持たせ配置してある。３−３線断面が、図３に示してある。

図７は、本発明のリレーのさらなる実施形態の図である。電気コイル１０８，１１０が、リレー１００を取り囲んでいる。電気接点１１４，１１８が、リレーの各端部に位置しており、接点１１６が二つの電気コイルの間に位置している。

図８は、図７に示したリレーの８−８線断面を通る断面図である。図８を参照するに、電気接点１１４，１１８が切り替えチャネル１１２の端部を形成している。接点１１６が、チャネルの中心部を形成している。切り替えチャネルを開通させるのは、管２０２，２０４である。管２０２，２０４は、ガラスのような非導電性の非磁性体材料でできており、これにより接点は互いに電気的に絶縁される。切り替えチャネル１１２内には、固体スラグ１２０が存在する。固体スラグは、切り替えチャネル沿いに動くことができる。固体スラグが図８に示す位置にあるときに、導電液体１２２が固体スラグ１２０を接点１１４，１１６に接続し、接点間に電気的な接続を形成する。導電流体もまた固体スラグの動きに抵抗し、かくしてラッチ機構を提供する。リレーのスイッチ状態は、電気コイル１１０の励磁によって切り替わる。これが切り替えチャネル内で磁界を発生し、固体スラグをチャネルの他端へ引き付ける。一旦スラグが動いてしまうとコイルの励磁は解かれるが、それは導電液体の表面張力により固体スラグが所定場所に保持されるからである。固体スラグが移動するときに変位した気体は、中央接点１１６にある導電液体を通って吹き出す。

本発明を特定の実施形態と併せ説明してきたが、前述の説明に照らし当事者には多くの代替例や修正例や置換例や変形例が明らかとなるであろうことは明白である。従って、添付の特許請求の範囲に含まれるこの種の全ての代替例と修正例と変形例を本発明が包含することを意図するものである。

本発明の幾つかの実施形態になるラッチリレーの側面図。 本発明の幾つかの実施形態になるラッチリレーを通る断面図。 第１のスイッチ状態を示す本発明のラッチリレーを通るさらなる断面図。 第２のスイッチ状態を示す本発明のラッチリレーを通るさらなる断面図。 本発明の幾つかの実施形態になるラッチリレーの回路基板を示す図。 本発明の幾つかの実施形態になるラッチリレーの切り替え層の図。 本発明の幾つかの実施形態になるさらなるラッチリレーの図。 本発明の幾つかの実施形態になるさらなるラッチリレーの断面図。

Claims (10)

1. 電磁リレーであって、
   切り替えチャネルを収容したリレーハウジングと、
   前記切り替えチャネル内で移動させるよう設けた固体スラグと、
   前記切り替えチャネル内に配置され、液体により湿潤可能な面を有する第１の接点と、
   前記切り替えチャネル内に配置され、液体により湿潤可能な面を有する第２の接点と、
   前記第１の接点と前記第２の接点の間の前記切り替えチャネル内に配置され、液体により湿潤可能な面を有する第３の接点と、
   前記固体スラグと湿潤接触する導電液体と、
   前記固体スラグをそれが前記第１の接点と前記第３の接点に湿潤接触する第１の位置へ移動させるよう動作可能な第１の電磁アクチュエータと、
   前記固体スラグをそれが前記第２の接点と前記第３の接点に湿潤接触する第２の位置へ移動させるよう動作可能な第２の電磁アクチュエータと、
   を備える電磁リレー。
2. 前記第１の電磁アクチュエータと前記第２の電磁アクチュエータの少なくとも一方が、前記切り替えチャネルを取り囲む電気コイルを備える、請求項１記載の電磁リレー。
3. 前記切り替えチャネルの端部に開口して接続した圧力解放通気孔をさらに備え、該圧力解放通気孔は前記固体スラグが移動したときに前記切り替えチャネル内の圧力を解放するよう設けてあり、前記圧力解放通気孔は前記固体スラグの動きを制動するように大きさと配置が決められる、請求項１記載の電磁リレー。
4. 前記導電液体は液体金属である請求項１記載の電磁リレー。
5. 前記リレーハウジングは、
   前記第１の接点と前記第２の接点と前記第３との接点が上に形成された回路基板層と、
   キャップ層と、
   前記回路層と前記キャップ層との間に配置された切り替え層であって、前記切り替えチャネルが前記切り替え層に形成される、前記切り替え層と、
   を備える請求項１記載の電磁リレー。
6. 前記第１の接点と前記第３の接点の間に配置した第１の非導電管と、
   前記第２の接点と前記第３の接点の間に配置した第２の非導電管と、をさらに備え、
   前記第１の接点と前記第２の接点と前記第３の接点と前記第１の非導電管と前記第２の非導電管は切り替えチャネルを封入し形成しており、前記第１の接点と前記第２の接点が前記切り替えチャネルの端部を形成しており、前記第１の電気コイルが前記第１の非導電管を取り囲んでおり、前記第２の電気コイルが前記第２の非導電管を取り囲んでいる、請求項１記載の電磁リレー。
7. 前記第１の非導電管と前記第２の非導電管はガラスで作られている請求項７記載の電磁リレー。
8. 導電液体により湿潤された固体スラグを有する電磁リレー内で第１の接点と第２の接点との間の電気回路を切り替える方法であって、
   前記電気回路を閉路するとき、第１の電磁アクチュエータを励磁するステップであって、前記固体スラグを切り替えチャネル沿いに第１の位置へ移動させ、該第１の位置で前記固体スラグを第１の電気接点と前記第２の電気接点に湿潤接触させる、前記第１の電磁アクチュエータを励磁するステップと、
   前記電気回路を開路するとき、第２の電磁アクチュエータを励磁するステップであって、前記固体スラグを切り替えチャネル沿いに第２の位置へ移動させ、該第２の位置で前記固体スラグを第２の電気接点と前記第３の電気接点に湿潤接触させる、前記第２の電磁アクチュエータを励磁するステップと、
   を有する方法。
9. 前記電気回路を閉路させるとき、前記固体スラグが前記第１の位置へ移動した後に前記第１の電磁アクチュエータの励磁を解除するステップと、
   前記電気回路を開路させるとき、前記固体スラグが前記第２の位置へ移動した後に前記第２の電磁アクチュエータの励磁を解除するステップと、
   をさらに有する請求項８記載の方法。
10. 前記第１の電磁アクチュエータに通電するステップが、前記切り替えチャネルを取り囲む第１のコイルに電流を通電するステップを有し、前記第２の電磁アクチュエータの付勢ステップが、前記切り替えチャネルを取り囲む第２のコイルに電流を通電するステップを有する、請求項８記載の方法。
    

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