JP2004319485A - 液体金属のスイッチを作動させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高電流の急速なスイッチングにおいて、電流が中断するときに発生するアーク放電により、電極面に穴が開き、接点が壊れ、導電性が低下するという課題を解決すること。
【解決手段】 本発明は、液体金属スイッチをすぐにスイッチングできる状態で維持する方法と装置に関する。液体金属スイッチは、スイッチ本体のキャビティ内に含まれる液体金属の塊を有する。スイッチング信号に応答してアクチュエータに電圧を印加し、キャビティ内の液体金属塊を移動させることによって、キャビティを介した信号経路を作成したり切断したりすることができる。スイッチングできる状態を維持するために、信号生成装置が振動信号をアクチュエータに供給する。この結果液体金属の塊が振動し、この結果、液体金属塊は低減された電力でも移動できるようになる。
【選択図】図２

Description

本発明は電気スイッチングと光スイッチングの分野に関し、特に、液体金属をスイッチング機構の一部として使用するスイッチに関する。

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スイッチ内で使用されてきた。この例は水銀サーモスタットスイッチであり、水銀サーモスタットスイッチでは、バイメタルストリップコイルが温度に対して反応し、水銀を含む長いキャビティの角度を変える。キャビティ内の水銀は大きな表面張力により単一の液滴を形成する。水銀の液滴は重力によって、電気接点を含むキャビティの端に移動するかまたは他の端に移動し、どちらに移動するかはキャビティの角度に依存する。手動の液体金属スイッチでは、永久磁石を使用してキャビティ内の水銀の液滴を移動させ、電気接点と接触させる。

液体金属はリレー内にも使用される。液体金属の液滴は種々の技術で移動させることができ、その中には静電力、および、電磁気力、温度による膨張／収縮で変化する幾何形状、磁気流体力学的力などが含まれる。

高電流の急速なスイッチングは幅広いデバイス内で使用されているが、電流が中断するとアーク放電が起きるため、固体接点ベースのリレーでは問題が起きる。アーク放電により電極面に穴が開くので、接点が壊れ、導電性が低下する。液体金属のスイッチはこの問題を解決できる。

マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）システムも液体金属のスイッチングを使用する。対象となるものの大きさが縮むと、液体金属の表面張力が、実質に働く力（慣性）などの他の力よりも強くなる。ラッチングスイッチが先にした米国出願で説明されている。これは、電気信号または光信号を１つの経路にルーティングしたり、遮断したり、別の経路にルーティングする部分として、液体金属を使用する。スイッチ状態が数分に渡って変化しない場合、これらのスイッチの使用特性では、液体金属をある場所から別の場所へ移動させるために、通常のスイッチングエネルギより高いエネルギで作動させなければならない場合がある。この現象は「キック始動」と呼ばれる。キック始動は少なくとも２つの異なるスイッチ駆動エネルギを使用し、また、スイッチ状態が最後に変化してからの時間を追跡しなければならないので、望ましくない。別法としては、スイッチ状態が正常に変化したという信号を受信するまで、スイッチの状態を繰り返し変化させようと試みなければならない。どちらのプロセスも複雑でありスイッチング時間の無駄である。

本発明は、液体金属スイッチをすぐにスイッチングできる状態で維持する方法と装置に関する。液体金属スイッチは、スイッチ本体のキャビティ内に含まれる液体金属の塊を有する。スイッチング信号に応答してアクチュエータに電圧を印加し、キャビティ内の液体金属塊を移動させることによって、キャビティを介した信号経路を作成したり切断したりすることができる。スイッチングできる状態を維持するために、信号生成装置が振動信号をアクチュエータに供給する。この結果液体金属の塊が振動し、この結果、液体金属塊は低減された電力でも移動できるようになる。

本発明の新規と考えられる特徴を、付随する請求項の特徴と共に述べる。しかし本発明の構成と動作方法および本発明の目的と利点に関して、本発明を詳細に説明する以下の記述を付随する図面と共に参照することによって、本発明自体を最良に理解することができるであろう。以下の説明は本発明の所定の例としての実施形態を示すものである。

本発明は多くの異なる形態の実施形態が可能であるが、次に図面を示して１つまたは複数の具体的な実施形態を詳細に説明する。しかし、本開示は本発明の原理を例示するものにすぎず、本発明を図示され説明された特定の実施形態に限定する意図はないことを理解されたい。次の説明では、いくつかの図面の中で同じ部分、または、同様な部分、対応する部分を説明するために同様な参照番号を使用する。

本発明は液体金属スイッチに関する。液体金属スイッチは、液体金属塊に作用するアクチュエータを使用してスイッチのスイッチ状態を変える。本発明では、液体金属内に一定の振動または断続的な振動を生成する。これによって、スイッチ状態が変わったときと同様に液体金属が攪拌され、これによって「キック始動」したり、または何回もスイッチを試みる必要がなくなる。

一定の振動または断続的な振動は振動駆動信号に応答して生成され、振動駆動信号は通常の駆動信号と重ねてもよい。このために必要なのは、「キック始動」または他の方法と比べるとわずかな回路または論理だけである。

駆動素子が圧電素子である場合、圧電素子は容量性であるので振動駆動信号はほとんど電力を消費しない。

図１から図６は、例としての液体金属スイッチを示す。図１は例としての光スイッチの側面図である。スイッチ１００は上のキャップ層２０、下のキャップ層２２、スイッチング層２４を含む。光導波管２０６と２０８が光信号をスイッチング層内のキャビティ１０４に伝える。液体金属の塊１０２をキャビティ１０４内で移動させ、導波管２０６または２０８からの光路を遮断することができる。液体金属の塊の動きは、濡らすことのできる接点１０６、１０８、１１０への表面張力による結合の抵抗を受ける。液体金属の塊は、作動液内の圧力、電磁力または直接的な機械的な力によって移動させることができる。

図２は、本発明の第１の実施形態による、例としての液体金属スイッチ１００のスイッチング層２４の上面図である。スイッチはキャビティ１０４内に含まれる液体金属の塊１０２を含む。キャビティはスイッチの本体内に形成する。キャビティ１０４は液体金属の塊１０２以外に作動液も含む。導電性接点１０６、１０８、１１０をキャビティ１０４内に配置する。図の中では、液体金属の塊１０２は接点１０６と１０８の間の電気信号経路を提供するが、接点１０６と１１０の間の電気経路は切断される。液体金属の塊はキャビティ内で移動可能なので、接点１０６と１１０の間の電気経路は完成し、接点１０６と１０８の間の経路は切断される。この方法で、導電体１１２、１１４、１１６を介して接点に加えられた信号を遮断するか、または、スイッチを介してルーティングすることができる。当業者であれば２つまたは２つ以上の接点を使用した他の実施形態も明らかであろう。種々の作動方法を使用して液体金属の塊を移動させることができる。図２では、液体金属の塊は、液体金属の塊全体に圧力差を生じさせることによって移動させる。液体溜め１１８と１２０はアクチュエータ１２２と１２４を含む。これらは、圧電素子などのヒータまたは容量アクチュエータであってもよい。ヒータを使用して気体を加熱したり、または、液体の位相を変化させて、液体溜め１１８内の圧力を増大させる。圧電素子の塊が増大すると、液体溜めの塊が減少し、圧力が増大する。増大した圧力は液体金属の塊に作用し、液体金属の塊を接点１１０に向けて移動させ、接点１０８との電気接続を切断する。１実施形態では、接点１０６、１０８、１１０は液体金属によって濡らすことのできる表面を有する。濡らす作用に伴う表面張力により、液体金属の塊が所望の位置に留まり、動きに対するスイッチのロバスト性が強化される。

光信号のスイッチにも同様な構成を使用することができる。図３は液体金属の光スイッチを示す。スイッチの構造と動作は上記と同じであるが、図３では、導電体の代わりに導波管２０２、２０４、２０６、２０８が使用されている点が異なる。図３に示した構成では、キャビティ１０４内の液体が透明なので、導波管２０４と導波管２０８の間で光路が完成する。液体金属１０２は不透明なので、導波管２０２と導波管２０６の間の光路は切断されているか不完全である。１実施形態では、接点２１０は液体金属で濡らすことのできる表面を有する。濡らす作用に伴う表面張力により液体金属の塊は所望の位置に留まり、動きに対するスイッチのロバスト性が強化される。

液体金属の別の実施形態を図４に示す。この実施形態では、電気コイル３０２と３０４に電圧を印加し、キャビティ１０４内に磁場を生成することができる。固体の磁気スラグ３１０を液体金属１０２で濡らし、磁気スラグ３１０はキャビティ１０４内で移動可能である。電圧印加コイル３０４は固体の磁気スラグ３１０を接点１１６にひきつけ、電圧印加コイル３０２は固体の磁気スラグを接点１１４にひきつける。コイルは導電体３０６と３０８に沿って伝わる電気信号で作動する。同様な構成を使用して光スイッチを構成することができる。

液体金属スイッチ１００の別の実施形態の上面図を図５に示す。この実施形態では、キャビティ４１８の中の圧電アクチュエータ４２０と４２２に電圧を印加して、チャンバ４２３と４２５の中の作動液の圧力を制御する。作動液はさらに液体金属塊を移動
させる。

図６は図５に示したリレーの断面６−６に沿った断面図である。この実施形態では、スイッチはカバー４０２、アクチュエータ層４０４、ダイヤフラム４０６、キャビティ層４０８、基部４１０を備える。この積層構造は、マイクロマシン製造法を使用した構成に適している。キャビティ１０４内の液体金属の塊は２つの小さな塊１０２と１０３に分離する。キャビティ１０４の残りは、不活性で非導電性の液体で満たす。キャビティはまた接点４１２、４１４、４１６を含む。液体金属の量と位置は、２つの接点が１度に接続されるような量と位置である。第２のキャビティ４１８の中に圧電アクチュエータ４２０と４２２を配置する。動作においては、アクチュエータ４２２は矢印の方向に伸び、柔軟なダイアフラム４０６を変形させる。同時に、圧電アクチュエータ４２０が収縮することができる。その結果、液体金属の塊１０２に下向きの力が加わり、塊を２つのより小さな塊に分ける。そのうち１つが液体金属の塊１０３に向かって移動しこれと融合する。この結果、接点４１２と４１４の間の電気経路は切断され、接点４１４と４１６の間の電気経路は完成する。この動作を逆にするとスイッチを元の状態に戻すことができる。当業者であれば明らかなように、同様な装置を光スイッチングに関しても使用できるし、多くの他の変形例も可能である。

上記の液体金属スイッチの共通の態様は、液体金属の塊を使用して、スイッチを介した１つまたは複数の信号経路を作成するかまたは切断することである。このようなスイッチのエネルギ効率は大部分が、液体金属の塊を移動させるために必要な力の量に依存する。液体金属の性質は、液体金属が所定の時間攪拌されなかった場合、動かすのが困難になるような性質である。これはたとえば、スイッチ状態が数分間変化しなかった場合に起こりうる。本発明は、液体金属のスイッチをすぐにスイッチできる状態に保つ方法と装置を提供する。本発明の実施形態を図７に示す。図７を参照すると、信号生成装置５０２は、スイッチ信号生成装置５０４と振動信号生成装置５０６の両方を含む。別の実施形態では、信号生成装置５０４と５０６は別のユニットであってもよいが、一般的には、スイッチ信号生成装置と振動信号生成装置を単一のユニットに組み込むことによって効率が得られる。スイッチ信号生成装置５０２は、スイッチ状態の変化が必要なときにはいつでも、短い長さのスイッチング信号５０８を生成する。この信号は液体金属の塊が１つの場所から別の場所に移動するのに十分に高いレベルである。一部の用途では、状態変化の間の間隔は数分より長くてもよい。振動信号生成装置５０６は振動信号５１０を生成する。振動信号は連続信号であってもよいし、断続信号であってもよい。断続信号を使用する場合、中断は、液体金属が移動しにくくなるために必要な時間より短くなければならない。スイッチング信号と振動信号は信号加算器５１２で重ね、組み合わされた信号５１４を生成する。組み合わされた信号５１４は圧電スイッチ１００内のアクチュエータに伝えられる。一部のスイッチでは多数のアクチュエータを使用するので、多数の信号が必要になる場合がある。たとえば、２つのアクチュエータを使用する実施形態では、１つの信号は他の信号を反転した信号である場合がある。しかし別の実施形態では、他とは反対の極性を有する１つのアクチュエータを選ぶと、単一の信号だけ使用すればよい。振動信号のレベルは液体金属をすぐにスイッチできる状態に維持するのに十分なレベルでなければならない。このレベルは一般に、スイッチ信号のピークレベルよりはるかに低いレベルである。

本発明を特定の実施形態に関して説明したが、当業者であれば上記の説明に照らして多くの代替例、修正例、置き換え例、変形例が明らかであろう。したがって、本発明は、このような代替例、修正例、変形例も付随する請求項の範囲内に包含することを目的とするものである。

例としての液体金属光スイッチの側面図。 例としての液体金属電気スイッチの上面図。 液体金属光スイッチの上面図。 別の液体金属電気スイッチの上面図。 圧電液体金属スイッチの上面図。 圧電液体金属スイッチの断面図。 本発明の所定の実施形態によるシステムの概略図。

符号の説明

１００ スイッチ
２０ 上のキャップ層
２２ 下のキャップ層
２４ スイッチング層
１０２,１０３ 液体金属の塊
１０４ キャビティ
１０６,１０８,１１０ 接点
１１２,１１４,１１６ 導電体
１１８,１２０ 液体溜め
１２２,１２４ アクチュエータ
２０２,２０４,２０６,２０８ 光導波管
３０２,３０４ 電気コイル
３０６,３０８ 導電体
３１０ 磁気スラグ
４１８ キャビティ
４２０,４２２ 圧電アクチュエータ
４２３,４２５ チャンバ
４０２ カバー
４０４ アクチュエータ層
４０６ ダイアフラム
４０８ キャビティ層
４１０ 基部
４１２,４１４,４１６ 接点
４１８ 第２のキャビティ
４２０,４２２ 圧電アクチュエータ
５０２ 信号生成装置
５０４ スイッチ信号生成装置
５０６ 振動信号生成装置
５０８ スイッチング信号
５１０ 振動信号
５１２ 信号加算器
５１４ 組み合わされた信号

Claims (10)

1. 液体金属のスイッチを作動させる方法であって、
   液体金属の塊に作用するアクチュエータに供給される振動信号に応答して、前記スイッチ内で前記液体金属の塊を振動させることを含み、それにより前記スイッチがすぐに作動できる状態に維持され、
   前記アクチュエータに供給されたスイッチング信号に応答して、前記液体金属の塊を移動させることを含み、それにより前記スイッチを介した信号経路を作成または切断する前記方法。
2. 前記液体金属の塊を移動させることは、前記液体金属の塊を含むキャビティ内で圧力を変化させ、それにより前記液体金属の塊全体で圧力差を生じさせる、請求項１に記載の方法。
3. 前記圧力の変化は、ヒータを使用して前記キャビティ内の液体を加熱することによって生じる、請求項２に記載の方法。
4. 前記圧力の変化は、前記キャビティの塊を変えることによって生じる請求項２に記載の方法。
5. 前記キャビティは少なくとも部分的にダイアフラムの境界を有し、前記キャビティの塊は、圧電素子を使用して前記ダイアフラムを変形することによって変化させる請求項４に記載の方法。
6. 前記液体金属の塊を移動させることは、電磁アクチュエータを使用して前記液体金属の塊を含むキャビティ内に電磁場を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記信号経路は電気経路と光路のうち１つであり、前記電気経路は前記液体金属の塊を前記電気経路内に移動することによって完成し、前記光路は前記液体金属の塊を前期光路内に移動することによって切断される請求項１に記載の方法。
8. 液体金属のスイッチであって、
   中にキャビティを有するスイッチ本体と、
   前記キャビティ内に含まれる液体金属の塊と、
   スイッチング信号に応答して前記キャビティ内の液体金属の塊を移動させることにより、前記キャビティを介した信号経路を作成または切断するように動作可能なアクチュエータと、
   前記アクチュエータに電気的に結合し、前記アクチュエータに振動信号を供給することにより、前記スイッチをすぐにスイッチできる状態に維持するように動作可能な信号生成装置とを備える液体金属のスイッチ。
9. 前記アクチュエータは、前記液体金属の塊全体で圧力差を生成するように、前記キャビティ内の圧力を変化させるように動作可能である請求項８に記載の液体金属のスイッチ。
10. 前記アクチュエータは、前記キャビティ内に電磁場を生成するように動作可能な電気コイルである請求項８に記載の液体金属のスイッチ。
    

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