TW543059B - A longitudinal piezoelectric latching relay - Google Patents

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543059 A7 B7 五、發明説明（1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 壓電材料及磁致伸縮材料（以下統稱為，，壓電材料，，)在 被施加一電場或磁場時即會變形。該等壓電材料當被作為 一作動器時，將能夠控制二表面的相對位置。 壓電性係為一種概括用語，乃指某些晶體在被施加應 料會變成電性極化的特性。石英即為一壓電晶體的良： fe例。若有應力施加於該等晶體，則其會產生一正比於該 應力的電力矩。 此即為正壓電效應，相反地，若其被置放在一電場 上則I電晶體會稍微地改變形狀。此即為逆壓電效應。

、\t I 種最常用的壓電材料即上述的石英。壓電性亦可見 於鐵電晶體，例如電氣石及羅謝爾鹽（Rochelle salt)。它們 已具有自然的極性。而在其極性改變時，即會顯示出壓電 效應。其它的壓電材料包括某些陶瓷材料及聚合物材料。 ，線1· 由於它們能夠控制二表面的相對位置，故壓電材料在以往 曾被使用於閥之作動器及顯微鏡的定位控制等。壓電材 料尤八疋陶瓷類者，係能夠產生大量的力。但，當被施 加一大電壓日寺，它們僅會產生一很小的位移。#為壓電陶 瓷，該位移最大僅可為該材料為長度的 0.1%。故，壓電材 料曰被使用於需要很小位移之閥作動器及位置控制器等用 途。 有兩種可增加每單位電壓之位移量的方法，乃包括雙 壓電晶片總成及疊層總成。雙壓電晶片總成具有二壓電陶 究材料連接在一起’而在它們邊緣會被一框緣所限制，因 此“也-電壓時，#中之一壓電材料即會膨脹。所產生的 本紙張尺度適财_轉準_ 當 即 電 543059 五、發明説明（2 應力會使該等材料凸拱。而在凸拱中心處的位移會比個別 材料的收鈿或膨脹更大。但是，該雙壓電晶片總成之框緣 的限制將會減少其可用的位移量。而且，該雙壓電晶片總 成所產生之力’將會比個別材料的收縮或膨脹所產生之力 更小許多。 田豐層總成係含有多層的壓電材料與互相連接的電極 又在一起。一電壓會傳經該等電極而使該疊層膨脹或收 縮4 s層的位移係等於每一個別材料之位移的總和。故， 為達到-合理的位移距離，乃需要有非常高的電壓或許多 的層數。但是，傳統的疊層作動器會由於該壓電材料及裝 設該疊層的材料等之熱膨脹，而喪失定位控制。 由於壓電材料的高強度或硬度，故其乃能對抗高應力 3來開啟及_ ’該等應力即例如作用在—大表面積上的 问壓力。故’壓電材料的高強度可供使用於大閥件的開啟， 此將會減少啟閉該閥所需的位移或作動。 就-傳統的麼電作動繼電器而言，當移動一機械構件 而使二電極形成電接觸時，該繼電器即為，，關閉，，的。而 移動該機械構件以使該二電極*再接觸時，則該繼電器 為開啟的。其電切換的時點係對應於該等固體電極的 極構件之間的接觸。 傳統的屢電作動繼電器典型並不具有問扣能力。 :::不存在於塵電作動繼電器中’該機制係可利用㈣ =餘?荷來㈣，或可作動包含有，機構的 4。故習知的問㈣電作動式繼電器之操作方法 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •訂| -線------- 543059 五、發明説明（3 與技術較缺乏可靠性。 纟月係有關於-種微機電系統(MEMS)作動器總 本^明亦有關於一種壓電作動式繼電器，其可切 換及閂扣。 依據本發明，一壓電作動式的繼電器乃被揭露，其可 /一液心盃屬來切換及閂扣。該繼電器的操作係藉一壓 電几件在伸長日可的縱向移動來推動一液態金屬滴，而使其 Hx在σ緖電^件或基板上之至少—接觸墊，與至少 另一靠近於該開關觸點的固定接塾之間。又可造成該液能 t屬滴改變位置的相同動作，則會使該固定接塾與設在該 £電元件或基板上之一接觸墊間的電連接中斷。該壓電元 件的動作係十分迅速，而可使液態金屬滴賦具動量來克服 表面張力，該表面張力即會將該液態金屬滴保持接觸於靠 近該作動的壓電元件之接觸墊者。該開關係利用該表面張 力及澄接於接觸墊的液態金屬來閂扣。 該開關可使用小尺寸的微機製技術來製成。且，其切 換時間會較短，因為壓電驅動的喷墨列印頭具有數kHZ的 喷發頻率，且在一開關用途中其流體動態相當簡化。相較 於其它使用液態金屬的MEMS其所生之熱亦會減少，因為 只有該等壓電元件及控制通道，和通過該開關之作動器的 電流才會產生熱。 圖式之簡單說明： 本發明將可參照以下圖式而更佳地瞭解。在各圖式中 的構件並不一定依尺寸比例，當要清楚地表示本發明的原

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公爱） 543059 五 的 發明説明（4 理時’將會被放大強調。 第1圖為一側視圖示出本發明之繼電器的三個疊層。 第2圖為本發明之繼電器的側剖視圖。 第3圖為本發明之電路基板與開關觸點的頂視圖。 第4圖為本發明之繼電器的壓電層之頂視圖。 第5圖為本發明之繼電器的壓電層之截面示意圖。 第ό圖為本發明之繼電器的罩蓋層之頂視圖。 第7圖為本發明之一繼電器變化例的側剖視圖。 第1圖為本發明一實施例的側視圖，示出一繼電器^⑼ 層。該中間層110係為壓電層，乃包含該繼電器1〇〇的 切換機構（未示出）。該頂層12〇會形成該繼電器1〇〇之切換 機構的罩蓋及障壁。該罩蓋層12〇可避免該切換機構曝露。 在該壓電層110底下係為基板層13〇。該基板層13〇會形如一 底板而可作為許多可能存設之電路元件的共同基板。 弟2圖為本發明之繼電器1⑼實施例的截面圖。第2圖 亦為第1圖的剖視圖。在該剖視圖中，上述之頂層12〇及基 板層130亚未改變。該頂層12〇及基板層13〇係製成實心層， 而形成障壁及/或供連接其它電子構件的媒介。該壓電層 110具有一腔室140,其内容納該繼電器100的切換機構。該 切換機構包含一對壓電元件150，多數的開關觸點16〇，及 一可動液體170。該可動液體係為電導體，而其物理特性係 可溼接該等開關觸點16〇。在本發明之一較佳實施例中，該 可動液體170係為能夠濕接開關觸點16〇的液態金屬。該液 態金屬之一例係為錯。在本發明之一更佳實施例中，該液

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543059 A7 B7 五、發明説明（5 態金屬係為水銀。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、?τ— 當操作時，該切換機構係可藉壓電元件丨5〇的縱向位 移來彳呆作。有一電荷會被施加於該等壓電元件丨5〇，以使該 等凡件150伸長。該等壓電元件15〇中之一者的伸長，將會 移動該可動液滴170。該等壓電元件15〇的伸長係快速又有 力的，而會造成該液體170的乒乓作用。該液體17〇會濕連 接觸墊160等而造成閃扣作用。當該電荷由壓電元件15〇除 掉時，該液體並不會回復到其原先位置，而會保留溼連該 等接觸墊160。在第2圖中，左方的壓電元件15〇已被充電而 伸長，並已物理性地衝擊該液體17〇，而使其一部份（如乒 乓球般）被打向右方，並與溼接更遠方之右接觸墊16()的液 體170結合。如上所述，該等壓電元件15〇的伸長動作係很 快速的，而能使該液滴170產生動量來克服令該液體17〇保 持與接觸墊觸接的表面張力。該切換機構會利用該表面張 力與漫連於接觸墊的液體170而來閂扣。 專業人士應可瞭解在圖中所示之可縱向移動的壓電 凡件僅為舉例而已。事實上有多種不同的壓電模式可用來 貫施本發明。例如，一彎曲式的壓電元件或一剪切式的壓 電70件亦可被使用。該剪切式壓電元件可藉一所施電場造 成的剪切動作來操作。又應可暸解本發明中的閂扣機制並 热干於使該液體造成移動的裝置。任何能夠產生足夠之力 來造成該乒乓（推送）作用的裝置皆可供本發明使用。 第3圖係為具有開關觸點160之該基板層丨3〇的頂視 圖。該等開關觸點160能穿過該基板130來連接於基板反面 本紙張尺度A4規格⑵0Χ297公釐） 五、發明説明（6 ) 的火干球’以幵> 成信號通路。《者，電路執線及接觸墊等亦 可被設在基板反面上。 第4圖為一繼電器1〇〇之壓電層的頂視圖，乃示出該等 t電元件150及腔室14〇。第4圖亦示出本發明之一較佳實施 例，其中有一排氣通道180導通該等接觸墊160之間的空 間。該等壓電元件15()的電路執線及可動液體m並未示 出^ w亥可動液體170由該腔室140的一側被衝擊移向另一 側時，該通道180乃可供該腔室14〇排氣之用。將空氣排出 可避免妨礙該液體17〇的移動。該排氣通道18〇係對應於第3 圖中各接觸墊160在腔室140内的各點位置之間。 第5圖係示出一繼電器的壓電層在第4圖的A_A點之截 面不意圖。在本實施例中該排氣通道丨8〇並未完全貫穿該壓 電層110的整個厚度來延伸。專業人士應可瞭解，該排氣通 道180亦可完全貫穿該壓電層11〇的厚度來延伸，或亦可僅 由任一側部份地延伸。該等壓電元件15〇的電路執線並未示 於弟5圖中。 第6圖係示出該頂層12〇的頂視圖。該頂層係為一實心 材料片。該頂層120係可覆蓋該繼電器1〇〇而形成該腔室14〇 的頂面。 第7圖係示出本發明之該繼電器1〇〇的另一變化例。名 操作時，其切換機構可藉該等壓電元件15〇的縱向位移而冲 操作。一電荷會被施加於該等壓電元件15〇以使該等元辦 150伸長。其中之m#15G的伸長將會移動該可動液 滴no。該等電壓元件15〇的伸展會迅速又有力地造成 543059 A7 ------Β7__ 五、發明說明（7 ) 體170的乒乓效應。該液體17〇會溼接於該等接觸墊i6〇而形 成閂扣作用。該各壓電元件150皆具有一接墊19〇固設於其 末端，來形成一附加的溼接力。該附加的接墊19〇能為可動 液體17G提供更多的表面張力，而使_部份的液體17〇被保 留在側邊的接觸墊160上。該接墊19〇亦會形成在腔室末端 之液態金屬的電接觸裝置。其連接線路未被示出。在第7 圖中亦有一排氣通道未被示出，其可導通在該腔室14〇中的 接觸墊160之間的空氣。 當電荷由該等壓電元件15〇被除去時，該液體並不會 回復至其原先位置，而仍會保留濕接於接觸墊16〇。在第7 圖中，位於左方的壓電元件5〇已被充電而伸長，故會物理 性地衝擊該液體17 〇而使其一部份被推向右側，來與溼接更 右方之接觸墊160的液體170結合。如前所述，該等壓電元 件150的伸展動作極為快速，而會使液滴17〇賦具動量來克 服使該液滴170保持接觸於接觸墊160的表面張力。該切換 機構即會利用該表面張力與濕接於接觸墊的液體丨7()來閃 扣0 雖本發明僅以特定實施例來說明如上，但專業人士鹿 可能貫施各種不同的變化例而仍包含於所附申請專利範圍 中〇 10 ------------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 543059 A7 B7 五、發明説明（8 元件標號對照 100…繼電器 110···中間層 120···頂層（罩蓋層） 130···基板層 140···腔室 150···壓電元件 160···開關觸點 170···可動液體 180···排氣通道 190…接墊 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ·裝- -、可| 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 11

Claims (1)

1. 申請專利範圍 2, 3. 液 係 5. 6. 一種閂扣壓電繼電器，包含： 一腔室； 第一、第二及第三接觸墊互相等距分開，該各 接觸墊皆至少具有一部份在該腔室内； 弟及弟_壓電元件反向相對地設在該腔室 中；及 一可動的導電液體設在該腔室内，該液體的第一 部份係溼接於第-接觸墊，而該㈣的另—部份係渔 接於第二及第三接觸墊； 其中該液體溼接於第二及第三接觸墊的部份，係 可朝向溼接於第一接觸墊的部份移動。 如申請專利範圍第i項之繼電器，更包含一層罩蓋材 料設在該腔室上方，及一層基板材料設在該腔室底 下，其中該第一、二及第三接觸墊皆至少有一部份在 该腔室内。 如申請專利範圍第2項之繼電器，其中該可動導電 體係為一液態金屬。 如申請專利範圍第3項之繼電器，其中該液態金屬 為鍺。 士申明專利範圍弟4項之繼電器，其中該第一與第 壓電元件係可縱向地移動。 如申請專利範圍第4項之繼電器，其中該第一與第 壓電元件係為彎曲式元件。 如申請專利範圍第4項之繼電器，其中該第一與第 本紙張尺度適用中國國家標準（qjS ) μ規格（210 X 297公爱） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   543059 A8 B8 C8 ______ D8 六、申請專利範圍 壓電元件係為剪切式元件。 8.如申請專利範圍第3項之繼電器，其中該液態金屬係 為水銀。 9·如申請專利範圍第8項之繼電器，其中該第一與第二 壓電元件係可縱向地移動。 10.如申請專利範圍第8項之繼電器，其中該第一與第二 壓電元件係為彎曲式元件。 11 ·如申請專利範圍第8項之繼電器，其中該第一與第二 壓電元件係為剪切式元件。 12. —種可供閂扣的壓電繼電器，包含： 一罩蓋層，其下方設有一壓電層；及 一基板層設在該壓電層底下； 其中該壓電層包含一腔室； 一第一、第二及第三接觸墊係等距互相分開，該 各接觸墊皆至少具有一部份在該腔室内； 一第一及一第二壓電元件反向相對地設在該腔室 中；及 一可動的導電液體設在該腔室内，該液體的第一 部份係溼接於第一接觸墊，而該液體的另一部份係澄 接於第二及第三接觸墊；且 该液體溼接於第二及第三接觸塾的部份，係可朝 向溼接於第一接觸墊的部份移動。 13 ·如申請專利範圍第12項之繼電器，其中該可動的導電 液體係為一液態金屬。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁}

   13 543059 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 14. 如申請專利範圍第13項之繼電器，其中該液態金屬係 為水銀。 15. 如申請專利範圍第14項之繼電器，其中該第一與第二 壓電元件係可縱向地移動。 16. 如申請專利範圍第14項之繼電器，其中該第一與第二 壓電元件係為彎曲式元件。 17. 如申請專利範圍第14項之繼電器，其中該第一與第二 壓電元件係為剪切式元件。 18. 如申請專利範圍第12項之繼電器，其中該液態金屬係 為鍺。 19. 如申請專利範圍第18項之繼電器，其中該第一與第二 壓電元件係可縱向地移動。 20. 如申請專利範圍第18項之繼電器，其中該第一與第二 壓電元件係為彎曲式元件。 21. 如申請專利範圍第18項之繼電器，其中該第一與第二 壓電元件係為剪切式元件。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 14