JP2004319500A - 電気リレー - Google Patents

Abstract

【課題】特に液体金属接点を有する圧電駆動ラッチングリレーを提供すること。
【解決手段】スイッチング機構内に導電液体を用いる電気リレーであり、このリレーでは、一対の可動電気接点１１８，１２０が圧電アクチュエータ１１０の自由端に取り付けられており、一対の固定電気接点１１４，１１６間に配置され、接点は、それぞれ液体金属などの導電液体１２２，１２４の液滴を支持しており、圧電アクチュエータ１１０は付勢されて屈曲モードで変形し、一対の可動接点を移動させ、固定接点１１４の一方と可動接点１１８の一方の間の間隙を閉じ、それによって導電液体１２２の液滴を癒合させて電気回路を形成し、同時に、他方の固定接点１１６と他方の可動接点１２０との間の間隙が増大し、導電液体の液滴１２４を分離させて、電気回路を開路している。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気的スイッチング用の超小型電機システム（ＭＥＭＳ；ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）の分野に係り、特に液体金属接点を有する圧電駆動ラッチングリレーに関する。

二つの導体間の電路をもたらす電気スイッチとしては、水銀等の液体金属が用いられてきた。一例が水銀温調スイッチであり、これはバイメタルストリップコイルが温度に反応し、水銀を収容した細長いキャビティの角度を変更するようになっている。キャビティ内の水銀は、高表面張力が原因で単一の液滴を形成している。重力により、キャビティの角度に応じて水銀液滴が電気接点を含むキャビティの一端或いは他端へ移動させている。手動液体金属スイッチにあっては、キャビティ内の水銀液滴の移動に永久磁石が用いられている。

液体金属は、リレー内にも用いられている。液体金属の液滴は、静電力や熱膨張／収縮に基づく可変構造や磁気流体力学力を含む様々な技術により動かすことが可能である。

従来の圧電リレーは、ラッチング機構に当接するスイッチをラッチ或いは他動作させるのにラッチしないか或いは圧電材料内に残る電荷を用いるかのどちらかを行なっている。

大電流の急速スイッチングは実に様々なデバイスで用いられているが、電流が途絶したときの電弧の発生が原因で固体接触準拠リレーについて問題を提起している。電弧の発生は接点を傷つけ、電極表面の局部的腐食に起因してそれらの導電性を劣化させることになる。

スイッチング要素としての液体金属と、加熱時に液体金属を動かしてスイッチング機能を働かせる気体の膨張とを用いるマイクロスイッチが、開発されている。液体金属は、スイッチ機構を超微細溶接したり過熱したりせずに金属対金属接触を用いて、比較的大出力（約１００ｍＷ）を切り替える能力など他の超微細加工技術を上回る幾つかの利点を有している。しかしながら、被加熱気体の使用は幾つかの不利がある。それはスイッチの状態を切り替えるのに比較的大量のエネルギを必要とし、スイッチングのデューティサイクルが高い場合にスイッチングにより生ずる熱を効果的に放散させねばならないということである。加えて、作動レートは比較的遅く、最大レートは数百Ｈｚに制限されている。

スイッチング機構内に導電液体を用いる電気リレーが、開示されている。このリレーでは、一対の可動電気接点が圧電アクチュエータの自由端に取り付けられており、一対の固定電気接点間に配置されている。接点は、それぞれ液体金属などの導電液体の液滴を支持している。圧電アクチュエータは、付勢されて屈曲モードで変形し、一対の可動接点を移動させ、固定接点の一方と可動接点の一方との間の間隙を閉じ、それによって導電液体の液滴を癒合させて電気回路を形成している。同時に、他方の固定接点と他方の可動接点との間の間隙が増大し、導電液体の液滴を分離させて、電気回路を開路している。

本発明の特徴と考える新規の特徴は、特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、本発明自体はその用途の好適なモードのみならず、そのさらなる目的ならびに利点は、添付図面を併せて読んだときに、例示した実施形態の以下の詳細な説明を参照して最も良く理解されよう。

本発明は多くの異なる形の実施形態の余地があるが、本開示が本発明原理の例示として考えられ、図示し説明した具体的な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以上の実施形態を図面に図示し、ここに詳細に説明する。以下の説明では、同様の参照符号は図面の幾つかの図において同一或いは同様の或いは対応する部分の説明に用いている。

本発明の電気リレーは、液体金属などの導電液体を用い、二つの電気接点間の間隙を橋絡し、それによって接点間の電気回路を閉路している。二つの可動電気接点は、圧電アクチュエータの自由端に取り付けられ、一対の固定電気接点間に配置されている。磁界の存在下で変形するターフェノル・ディー（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ）などの磁気抵抗アクチュエータは、圧電アクチュエータに代えて用いることも可能である。結局、圧電アクチュエータと磁気抵抗アクチュエータは、一括して「圧電アクチュエータ」と呼ばれることになる。固定電気接点の各表面は、導電液体の液滴を支持している。好適な実施形態では、導電液体は高導電率、低揮発性、高表面張力を有する水銀などの液体金属である。付勢時に、圧電アクチュエータは屈曲し、これにより自由端が固定接点間を移動し、第１の可動接点は第１の固定接点へ向かって移動して二つの導電液体液滴を癒合させ、接点間の電気回路を閉路することになる。同時に、第２の可動接点は第２の固定接点から離間することになる。スイッチ状態が切り替わった後、圧電アクチュエータは消勢され、可動接点はそれらの始動位置へ復帰することになる。導電液体の液滴は癒合したままであり、何故なら表面張力が液滴を一緒に保持するように導電液体量を選択しているからである。圧電アクチュエータを付勢し、第１の可動電気接点を第１の固定電気接点から離間させて導電液体の液滴間の表面張力結合を断つことで、電気回路は再び開路することになる。圧電アクチュエータが消勢されたときに、接点間の間隙を橋絡するのに十分な液体が存在しない場合は、液滴は分離したままである。このリレーは、超微細加工技術による製造の対象となっている。

図１は、本発明のラッチングリレーの一実施形態の側面図である。図１を参照すると、リレー１００は３層から構成されている。すなわち、回路基板１０２、切り替え層１０４及びキャップ層１０６である。これらの３層は、リレーハウジングを形成している。回路基板１０２は、切り替え層内の要素に対する電気的接続を支持し、切り替え層に対しより低いキャップを提供している。回路基板１０２は、例えばセラミックやシリコンで作ることが可能であり、超微細電子デバイスの製造に用いるような超微細加工技術による製造対象となる。切り替え層１０４は、例えばセラミックやガラスで作ることができ、或いは絶縁層（セラミックなど）で被覆した金属で作ることができる。キャップ層１０６は切り替え層１０４の頂部を覆い、切り替えキャビティ１０８を封止している。キャップ層１０６は、例えばセラミックやガラスや金属やポリマー或いはこれらの材料の組み合わせで作ることが可能である。好適な実施形態では、ガラスやセラミックや金属を用いて気密封止をもたらしている。

図２は、キャップ層を取り除いた状態のリレーの平面図である。図２を参照すると、切り替え層１０４には切り替えキャビティ１０８が組み込まれている。切り替えキャビティ１０８は、回路基板１０２によりその下側が封止されており、キャップ層１０６によりその上側が封止されている。このキャビティは、不活性ガスで満たすことが可能である。圧電素子１１０は、切り替え層に取り付けられている。圧電アクチュエータ１１０は分極されて屈曲モードにおいて変形し、これにより自由端が図の横方向に移動するようになっている。アクチュエータは、圧電素子の積層体で構成されている。固定電気接点１１４，１１６は、切り替え層に取り付けられている。可動電気接点１１８，１２０は、アクチュエータ１１０の自由端に取り付けられている。可動電気接点は、互いに電気的に接続されている。接点の露出面は、液体金属などの導電液体により湿潤可能となっている。接点間の面は、液体の回遊を防止すべく湿潤不能とされている。接点の表面が、導電液体の液滴を支持している。図２中、接点１１４，１１８間の液体は、それぞれが接点１１４，１１８上に在る二つの液滴１２２に分かれている。接点１２０，１１６間の液体は、導電液体液滴（単一塊）１２４に癒合されている。したがって、接点１２０，１１６間には電気的な接続が存在するが、接点１１４、１１８間には電気的な接続は一切存在しないことになる。

アクチュエータの自由端が第１の可動電気接点１１８を第１の固定接点１１４から離間させるとき、第２の可動電気接点１２０は第２の固定接点１１６へ向かって移動することになる。逆に、アクチュエータ１１０の自由端が第１の可動電気接点１１８を第１の固定接点１１４へ向けて移動させたときは、第２の可動電気接点１２０は第２の固定接点１１６から離間することになる。接点１１６，１２０間の間隙が十分に大きいときは、導電液体１２４が接点間の間隙を橋絡するに不十分であり、導電液体接続は開路されることになる。接点１１８，１１４間の間隙が十分に小さいときは、二つの接点上の液滴１２２が互いに癒合し、電気的な接続を形成することになる。導電液体の液滴は、流体の表面張力により所定場所に保持されている。液滴の寸法が小さいため、表面張力は液滴上のどんな体積力も支配している。

図３は、図２に示したラッチングリレーの３−３線に沿う断面図である。この図は、３層を示している。すなわち、回路基板１０２、切り替え層１０４及びキャップ層１０６である。アクチュエータ１１０の自由端は、切り替えチャンネル１０８内で移動可能である。アクチュエータ１１０へ制御信号を供給する電気接続配線（図示せず）は、回路基板１０２の上面に配置されているか、或いは回路基板のビア孔を貫通させて配置されている。同様に、接点パッドへの電気接続配線は回路基板１０２の上面に配置されている。外部接続は、回路基板下側の半田ボールを介して行なわれるか、或いは回路配線端部のパッドへの短いリボンワイヤ接着を介して行なわれている。

高表面張力をもった水銀或いは他の液体金属を用いて可撓性非接触電気接続を形成することで、局部加熱が引き起こす局部的腐食や酸化物の集積を排除した高電流容量をもったリレーが得られることになる。

本発明のさらなる実施形態は、図４に示されている。図４中、キャップ層と導電液体は取り除かれている。図４を参照すると、固定接点１１４，１１６はキャビティ１０８の垂直側面にではなく、回路基板の上面に取り付けられている。したがって、接点１１４，１１８は、対向するのではなく、互いに直角に配置されていることになる。接点１２０，１１６は、同様に互いに直角をなしている。本実施形態の一つの利点は、水平接点が若干の超微細加工プロセスにてより簡単に形成されることにある。リレーの動作は、図２及び図３に関して前記した実施形態と同じである。

図５は、図４に示した５−５線に沿う断面図である。導電液体液滴１２４は、接点１２０、１１６間の間隙を充填しており、接点間の電気回路を閉路している。圧電アクチュエータ１１０に印加される制御信号はそれを屈曲モードで変形し、自由端を固定接点１１４へ向けて移動させている。この動きにより接点１２０，１１６間の間隙を増大させ、液体１２４中の表面張力結合を破壊している。液体は各接点に一つずつの二つの液滴に分かれ、電気回路は開路されている。同時に、接点１１４，１１８は互いに接近し、液滴１２２は癒合され、接点１１４，１１８間の回路を閉路している。液塊は、アクチュエータを消勢しその非偏向位置に復帰させたときに、癒合した液滴は癒合したままとし、分離した液滴は分離したままとするように選択されている。こうして、リレーは新たなスイッチ状態にラッチされることになる。

リレーは、二つの端子間で信号を切り替えるのに用いられている。

図６は、回路基板１０２の平面図である。本実施形態では、電気配線２０２，２０４，２０６が基板の上面に配置され、或いは形成されており、それぞれ接点１１４，１１６，１２６に対する電気的な接続を可能にしている。

本発明は特定の実施形態と併せて説明してきたが、前述の説明に照らし多くの代替例や改変例や置換例や変形例が当業者に明白となることは明らかである。従って、本発明は添付の特許請求の範囲内に含まれるこの種のあらゆる代替例や改変や変形例を包含することを意図するものである。

本発明のラッチングリレーを示す側面図である。 キャップ層を取り除いた状態の本発明のラッチングリレーを示す平面図である。 本発明のラッチングリレーを示す断面図である。 キャップ層を取り除いた本発明のラッチングリレーのさらなる実施形態を示す平面図である。 本発明のラッチングリレーのさらなる実施形態を示す断面図である。 本発明の幾つかの態様に係る回路基板を示す平面図である。

符号の説明

１００ リレー（リレーハウジング）
１０２ 回路基板
１０４ 切り替え層
１０６ キャップ層
１０８ 切り替えキャビティ
１１０ 圧電アクチュエータ
１１４ 固定電気接点（第１の固定電気接点）
１１６ 固定電気接点（第２の固定電気接点）
１１８ 可動電気接点（第１の可動電気接点）
１２０ 可動電気接点（第２の可動電気接点）
１２２ 液滴（第１の導電液塊）
１２４ 導電液体液滴（第２の導電液塊）
１２６ 接点
２０２，２０４，２０６ 電気配線

Claims (10)

1. 切り替えキャビティを含むリレーハウジングと、
   それぞれ可湿潤面を有する第１及び第２の固定電気接点と、
   前記切り替えキャビティ内で前記第１及び第２の固定電気接点間に配置され、それぞれ可湿潤面を有する第１及び第２の可動電気接点と、
   前記第１の可動電気接点及び前記第１の固定電気接点に湿潤接触する第１の導電液塊と、
   前記第２の可動電気接点及び前記第２の固定電気接点に湿潤接触する第２の導電液塊と、
   休止位置にある圧電アクチュエータであって、固定端がリレーハウジングに取り付けられ、自由端が前記第１及び第２の可動電気接点を支持しており、前記自由端を、第１の方向に移動させて前記第１の可動電気接点及び前記第１の固定電気接点間の距離を低減させると共に、前記第２の可動電気接点及び前記第２の固定電気接点間の距離を増大させ、第２の方向に移動させて前記第１の可動電気接点及び前記第１の固定電気接点間の距離を増大させると共に、前記第２の可動電気接点及び前記第２の固定電気接点間の距離を減少させるように動作可能な前記圧電アクチュエータを備え、
   前記第１の方向における前記圧電アクチュエータの前記自由端の動きが、前記第１の導電液塊により前記第１の可動電気接点及び前記第１の固定電気接点の間に接続を形成せしめると共に、前記第２の導電液塊により前記第２の可動電気接点及び前記第２の固定電気接点の間に形成された接続を断ち、
   前記第２の方向の前記圧電アクチュエータの前記自由端の動きが、前記第１の導電液塊により前記第１の可動電気接点及び前記第１の固定電気接点の間に形成された前記接続を断つと共に、前記第２の導電液体により前記第２の可動電気接点及び前記第２の固定電気接点の間に接続を形成せしめている、
   ことを特徴とする電気リレー。
2. 前記第１及び第２の導電液塊は、液体金属液滴であることを特徴とする請求項１に記載の電気リレー。
3. 前記第１及び第２の可動電気接点は、互いに電気的に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の電気リレー。
4. 前記第１及び第２の固定電気接点は、互いに電気的に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の電気リレー。
5. 前記第１及び第２の導電液塊は、前記圧電アクチュエータがその休止位置へ復帰したときに癒合塊は癒合させたままとし、前記圧電アクチュエータがその休止位置へ復帰したときに分離塊は分離したままとしていることを特徴とする請求項１に記載の電気リレー。
6. 前記圧電アクチュエータ、前記第１及び第２の固定接点、前記第１及び第２の可動接点への電気的接続を支持する回路基板と、
   キャップ層と、
   前記回路基板及び前記キャップ層の間に位置し、その中に形成した前記切り替えキャビティを有する切り替え層をさらに備えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電気リレー。
7. 超微細機械加工法によって製造されていることを特徴とする請求項６に記載の電気リレー。
8. リレー内において、第１の可動接点及び第１の固定接点の間の第１の電気回路と、第２の可動接点及び第２の固定接点の間の第２の電気回路との間を切り替える方法で、前記リレーが該リレーに取り付けられた固定端と、前記第１及び第２の固定接点間に第１及び第２の切り替え接点を支持する自由端を有する圧電アクチュエータを備えている前記方法であって、
   前記第１の電気回路を選択する場合に、
   前記圧電アクチュエータを付勢して屈曲モードにて変形させ、該圧電アクチュエータの前記自由端を第１の方向に移動させ、それによって前記第１の可動接点及び前記第１の固定接点へ向け移動させ、前記第１の可動接点及び前記第１の固定接点の少なくとも一方が支持する第１の導電液体で前記第１の可動接点及び前記第１の固定接点の間を湿潤して前記第１の電気回路を閉路させるステップと、
   前記第２の電気回路を選択する場合に、
   前記圧電アクチュエータを付勢して屈曲モードにて変形させ、該圧電アクチュエータの前記自由端を第２の方向に移動させ、それによって前記第２の可動接点を前記第２の固定接点へ向け移動させ、前記第２の可動接点及び前記第２の固定接点の少なくとも一方が支持する第２の導電液体で前記第２の可動接点及び前記第２の固定接点の間を湿潤して前記第２の電気回路を閉路させるステップを含んでいる、
   ことを特徴とする方法。
9. 前記第１の方向における前記圧電アクチュエータの前記自由端の動きが前記第２の可動接点を前記第２の固定接点から離間させることで、前記第２の導電液体は前記第２の可動接点及び前記第２の固定接点の間を湿潤できず、それによって前記第２の電気回路を開路させ、
   前記第２の方向における前記圧電アクチュエータの前記自由端の動きが前記第１の可動接点を前記第１の固定接点から離間させることで、前記第１の導電液体は前記第１の可動接点及び前記第１の固定接点の間を湿潤できず、それによって前記第１の電気回路を開路させる、
   ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記第１の電気回路を選択する場合に、
    前記第１の導電液体が前記第１の可動接点及び前記第１の固定接点の間を湿潤した後で、前記圧電アクチュエータを消勢するステップと、
    前記第２の電気回路を選択する場合に、
    前記第２の導電液体が前記第２の可動接点及び前記第２の固定接点の間を湿潤した後で、前記圧電アクチュエータを消勢するステップをさらに含んでいる、
    ことを特徴とする請求項８に記載の方法。

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