JP2004319488A

JP2004319488A - 電気リレー

Info

Publication number: JP2004319488A
Application number: JP2004116455A
Authority: JP
Inventors: Marvin Glenn Wong; マービン・グレン・ウォング; Arthur Fong; アーサー・フォング
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2004-04-12
Publication date: 2004-11-11
Also published as: TW200421642A; DE10361000A1; US6894424B2; GB2400748B; GB2400748A; GB0407190D0; US20040201319A1

Abstract

【課題】局所的な加熱による点食や酸化物堆積を回避して、高い電流容量を持つリレーを作ること。
【解決手段】本発明は、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コンタクトが一対の固定コンタクトパッド間に配置される。各接触の表面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スイッチングコンタクト対を動かし、固定コンタクトパッドの一方とスイッチングコンタクト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コンタクトパッドと他方のスイッチングコンタクト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。
【選択図】図３

Description

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）に関するものであり、より具体的には液体金属接触および圧電または磁歪アクチュエータを持つラッチングリレーに関する。

水銀等の液体金属が、電気スイッチにおいて使用されて、２つの導体間に電気経路を提供してきた。その一例に水銀サーモスタットスイッチがある。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、表面張力が高いので単一の液滴を形成する。重力により、この水銀液滴は、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では、永久磁石を用いて水銀液滴を空洞中で移動させている。

また液体金属は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、およ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。

従来の圧電リレーは、ラッチしない、また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。

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為に問題が生じる。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。

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加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為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。

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コンタクトが一対の固定コンタクトパッド間に配置される。各接触の表面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スイッチングコンタクト対を動かし、固定コンタクトパッドの一方とスイッチングコンタクト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コンタクトパッドと他方のスイッチングコンタクト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。

本発明の特徴は新規性を持つと信じられるものであり、これらは詳細と共に請求項に記載した。しかしながら本発明自体は、その目的および利点と共に、構成および作用方法の両方について以下に述べる本発明の詳細な説明（特定の実施例を説明している）を、添付図を参照しつつ読むことにより理解することができる。

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もので、本願においては一つ以上の特定の実施例を図示し、その詳細を説明するが、本開示はあくまでも本発明の原理の一例にしか過ぎず、本発明を図示およ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、同様の符号は複数の図にわたり、同一、同様または対応する部分を示す為に用いられている。

本発明の電気リレーは、二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為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「スイッチングコンタクト」と呼ぶ）は、一対の固定コンタクトパッド間に配置される。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、低い揮発性および高い表面張力を持つ水銀のような液体金属である。一実施例においては圧電素子であるアクチュエータは、これら二つのスイッチングコンタクトを支持するコンタクトキャリアに結合している。他の実施例においては、例えばTerfenol-Dのような磁歪素子が用いられる。結局のところ、圧電素子も磁歪素子も集合的に「圧電素子」と呼ばれる。電源が入ると、アクチュエータがコンタクトキャリアを移動させ、これにより第１のスイッチングコンタクトが第１の固定コンタクトパッドに向かって移動し、これらの接触上にある導電性液滴が癒着して第１のスイッチングコンタクトと第１の固定コンタクトパッド間に電気回路が完成される。接触の相互配置は、第１のスイッチングコンタクトが第１の固定コンタクトパッドに向かって動くと、第２のスイッチングコンタクトが第２の固定コンタクトパッドから離れるようになっている。これは、スイッチングコンタクトを固定コンタクトパッド間に配置することにより実現することができる。スイッチ状態が変化した後、アクチュエータの電源が絶たれ、スイッチングコンタクトは開始位置に戻る。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１のスイッチングコンタクトを第１のコンタクトパッドから離し、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、接触間のギャップをブリッジするに十分な液体が無い限りにおいては、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。

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およびキャップ層１０６の三つの層を含む。これら三つの層は、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、ポリマー、また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またはガラス等から、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、金属またはポリマー、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。一実施例においては、気密封止を作るようにガラス、セラミックまたは金属を用いることができる。

図２は、キャップ層およ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、回路基板１０２によりその下部が、キャップ層１０６によりその上部が、封止されるものである。空洞は不活性気体で満たすことができる。引張可能圧電素子または磁歪素子１１０は、スイッチング層に取り付けられ、硬質のコンタクトキャリア１１２を動かすように作動させることができる。コンタクトキャリア１１２はスイッチングコンタクト１１４および１１６を支持している。一実施例において電気信号は、コンタクトキャリア１１２上にある追加の可動式コンタクト１１８および１２０を通じてスイッチングコンタクトへとルーティングされる。コンタクトキャリア１１２は、スイッチングコンタクト１１４および１１６に電気的に結合する。追加の可動式コンタクトは、回路基板上の電気パッド１２６へと、液体金属等の導電性液滴を通じて結合する。導電性液滴は、これらの追加の可動式コンタクトとパッド１２６間を濡らすものである。接触１１８および１２０とスイッチングコンタクト１１４および１１６間の表面は濡れないので、導電性液体の移動を防ぎ、適正な液体量を維持できる。他の実施例においては、スイッチングコンタクト１１４および１１６への電気信号は、キャリヤ１１２およびアクチュエータ１１０上の回路トレースまたは導電性コーティングを通じて供給される。固定コンタクトパッド１２２および１２４は、回路基板へと取り付けられている。接触の露出面は、液体金属などの導電性液体により濡らすことができる。電気接触を分離する外部表面は、濡れないようにすることにより、液体の移動を防ぐようにすることができる。作動においては、アクチュエータ１１０の長さが増減することにより、スイッチングコンタクト１１４および１１６が、固定接触１２２および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、コンタクトパッド１２２、１２４、１２６は、回路基板の底部にあるパッドとはんだボールと共に、好適な回路を通じてマザー基板へと接続させることができる。中間および高周波数スイッチングの場合においては、スイッチングコンタクトパッド１２２、１２４および１２６は、回路トレース１３４、１３６および１２８をそれぞれを通して電気接続される。各回路トレースは、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。更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。

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およびキャップ層１０６の三つの層を示している。コンタクトキャリア１１２は、アクチュエータ１１０の固定されていない端部において支持されており、スイッチング空洞１０８中における可動性を持つ。電気接続トレース（図示せず）は、制御信号をアクチュエータ１１０へと供給するが、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。接触の表面は導電性液滴を支持し、導電性液滴は液体の表面張力により所定位置に維持される。液滴のサイズは小さいので、表面張力は液滴上のあらゆる体積力よりもはるかに大きくなり、よって液滴は、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および１２２間の液体は、二つの液滴１４０へと分離され、それぞれが接触１１４および１２２各々の上にある。接触１１６および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および１２４間にはあるが、接触１１４および１２２間にはない。

アクチュエータ１１０が収縮した場合、第１のスイッチングコンタクト１１４が、第１の固定接触１２２へと向かって移動し、第２のスイッチングコンタクト１１６が、第２の固定接触１２４から離れる方向に移動する。接触１１６および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１１６および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。液体の量を選択することにより、アクチュエータに電源が入っておらずその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が分離したままになる。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為には、アクチュエータ１１０を引張させて、接触１１４および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。

高い表面張力を持つ水銀また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して、高い電流容量を持つリレーを作ることができる。

回路基板１０２の上面図を図４に示した。信号トレース１２８、１３４、１３６が固定コンタクトパッド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で濡れない材料で覆われているので、導電性液体が移るという不都合が回避される。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、電気的遮蔽を提供している。バイア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いるので、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およ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度以下であり、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、パッドおよびはんだボールを通じて接続することも可能である。

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および１２０と固定コンタクトパッド１２６間の間隙を満たしており、よってこれらの間の電気回路が完成する。液体量を選択することにより、コンタクトキャリア１１２を動かすことでこの液体接続が絶たれることがないようにされる。コンタクトパッド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。

作動の一態様においては、コンタクトパッド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１１０の動きによってコンタクトパッド１２２あるいはコンタクトパッド１２４のいずれかにスイッチングされる。

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、入れ替えおよ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、入れ替えおよ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。

本発明の特定の実施例に基づくラッチングリレーの側面図。本発明の特定の実施例に基づく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。本発明の特定の実施例に基づくラッチングリレーの断面図。本発明の特定の実施例に基づく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。本発明の特定の実施例に基づくラッチングリレーの別の断面図。

符号の説明

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
１１０アクチュエータ
１１２可動式コンタクトキャリア
１１４第１のスイッチングコンタクト
１１６第２のスイッチングコンタクト
１１８、１２０可動式コンタクト
１２２第１の固定コンタクトパッド
１２４第２の固定コンタクトパッド
１２６第３の固定コンタクトパッド
１３０グランド導体
１２８、１３４、１３６電気接続
１４０第１の導電性液体塊
１４２第２の導電性液体塊
１５２第３の導電性液体塊

Claims

スイッチング空洞を有するリレーハウジングと、
各々が前記スイッチング空洞中で前記リレーハウジングに取り付けられた濡らすことができる表面を持つ第１および第２の固定コンタクトパッドと、
前記第１および第２の固定コンタクトパッド間に配置され、それぞれが濡らすことができる表面を持つ第１および第２のスイッチングコンタクトと、
前記第１および第２のスイッチングコンタクトを支持する可動式コンタクトキャリアと、
前記第１のスイッチングコンタクトおよび前記第１の固定コンタクトパッドと濡れた状態で接触する第１の導電性液体塊と、
前記第２のスイッチングコンタクトおよび前記第２の固定コンタクトパッドと濡れた状態で接触する第２の導電性液体塊と、
停止位置にあるアクチュエータとを備え、該アクチュエータは、前記コンタクトキャリアを前記リレーハウジングに結合し、前記コンタクトキャリアを第１の方向へ動かすことにより、前記第１のスイッチングコンタクトと前記第１の固定コンタクトパッド間の距離を小さくし、前記第２のスイッチングコンタクトと前記第２の固定コンタクトパッド間の距離を増大させ、一方第２の方向へと前記コンタクトキャリアを移動することにより、前記第１のスイッチングコンタクトと前記第１の固定コンタクトパッド間の距離を増大させ、前記第２のスイッチングコンタクトと前記第２の固定コンタクトパッド間の距離を小さくし、
前記コンタクトキャリアを前記第１の方向に動かすことにより、前記第１の導電性液体塊が、前記第１のスイッチングコンタクトおよび前記第１の固定コンタクトパッド間に接続を形成し、前記第２の導電性液体塊が、２つの液滴へと分かれて前記第２のスイッチングコンタクトおよび前記第２の固定コンタクトパッド間の接続が絶たれ、
前記コンタクトキャリアを前記第２の方向に動かすことにより、前記第１の導電性液体塊が、２つの液滴に分かれて前記第１のスイッチングコンタクトおよび前記第１の固定コンタクトパッド間の接触が絶たれ、前記第２の導電性液体塊が、前記第２のスイッチングコンタクトおよび前記第２の固定コンタクトパッド間に接続を形成するものである電気リレー。
前記アクチュエータが圧電アクチュエータである請求項１に記載の電気リレー。
前記第１および第２の導電性液体塊が、液体金属液滴である請求項１に記載の電気リレー。
前記第１および第２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繋がった塊は繋がったままであり、前記アクチュエータがその休止位置に戻った場合に分離した液滴は分離したままである請求項１に記載の電気リレー。
前記第１および第２の固定コンタクトパッドへの電気接続および前記第１および第２のスイッチングコンタクトへの電気接続を更に具備した請求項１に記載の電気リレー。
前記第１および第２の固定コンタクトパッドへの前記電気接続と、前記第１および第２のスイッチングコンタクトへの電気接続とが、グランド導体により電気的に遮蔽されている請求項５に記載の電気リレー。
前記第１および第２のスイッチングコンタクトへの前記電気接続は、
前記コンタクトキャリアにより支持され、前記第１および第２のスイッチングコンタクトに電気的に結合する、少なくとも１つの第１の可動式コンタクトと、
前記少なくとも１つの可動式コンタクトの付近に配置され、導電性液体への濡らすことができる表面を有する、第３の固定コンタクトパッドと、
前記少なくとも１つの可動式コンタクトおよび前記第３の固定コンタクトパッドに濡れた状態で接触し、それらの間に電気接続を形成する第３の導電性液体塊とを含み、
前記少なくとも１つの可動式コンタクトと前記第３の固定コンタクトパッドとの間の電気接続が、前記コンタクトキャリアが移動した場合に維持されるように、前記第３の導電性液体塊の大きさが設定されている、請求項５に記載の電気リレー。
前記リレーハウジングは、
前記アクチュエータ、前記第１および第２のスイッチングコンタクト、前記第１および第２の固定コンタクトパッドとの電気接続を支持する回路基板と、
キャップ層と、
前記回路基板と前記キャップ層との間に配置され、その中に前記スイッチング空洞が形成されたスイッチング層とを有する請求項１に記載の電気リレー。
第１のスイッチングコンタクトおよび第１の固定コンタクトパッド間の第１の電気回路と、第２のスイッチングコンタクトおよび第２の固定コンタクトパッド間の第２の電気回路との間のスイッチングを、リレーにおいて実施する方法であって、前記第１および第２のスイッチングコンタクトは、コンタクトキャリア上に支持され、前記第１および第２の固定コンタクトパッド間に配置され、
前記第１の電気回路を選択する場合において、アクチュエータに電源を投入し、前記コンタクトキャリアを第１の方向に動かして、前記第１のスイッチングコンタクトを前記第１の固定コンタクトパッドに向かって移動させることにより、前記第１のスイッチングコンタクトおよび前記第１の固定コンタクトパッドの少なくとも一方の上に支持される第１の導電性液体塊で前記第１のスイッチングコンタクトおよび前記第１の固定コンタクトパッド間を濡らし、前記第１の電気回路を完成させるステップと、
前記第２の電気回路を選択する場合において、アクチュエータに電源を投入し、前記コンタクトキャリアを第２の方向に動かして、前記第２のスイッチングコンタクトを前記第２の固定コンタクトパッドに向かって移動させることにより、前記第２のスイッチングコンタクトおよび前記第２の固定コンタクトパッドの少なくとも一方の上に支持される第２の導電性液体塊で前記第２のスイッチングコンタクトおよび前記第２の固定コンタクトパッド間を濡らし、前記第２の電気回路完成させるステップとを有する方法。
前記コンタクトキャリアを第１の方向に動かすことにより、前記第２のスイッチングコンタクトを前記第２の固定コンタクトパッドから離す方向に移動させ、これにより前記第２の導電性液体塊が前記第２のスイッチングコンタクトおよび前記第２の固定コンタクトパッド間が濡れず、これにより前記第２の電気回路を遮断し、
前記コンタクトキャリアを第２の方向に動かすことにより、前記第１のスイッチングコンタクトを前記第１の固定コンタクトパッドから離す方向に移動させ、これにより前記第１の導電性液体塊が前記第１のスイッチングコンタクトおよび前記第１の固定コンタクトパッド間が濡れず、これにより前記第１の電気回路を遮断する請求項９に記載の方法。