Electric relay

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）の分野に関し、特に液体金属接点と圧電或いは磁気抵抗アクチュエータを備えたラッチングリレー（電気リレー）に関する。

水銀などの液体金属は、２つの導体間に電気的な経路を提供するための電気スイッチとして使用されている。 このような例としては、水銀を利用したサーモスタットスイッチがある。 この水銀を利用したサーモスタットスイッチは、二元金属で形成された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ようになっている。 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している。 水銀の液滴は、重力によって、電気接点を備えるキャビティの端に移動するか、または他の端に移動するようになっており、どちらに移動するかはキャビティの角度に依存している。 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ている。

液体金属は、リレー内にも使用されている。 液体金属の液滴は、種々の技術で移動させることができ、その中には静電気力、および、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(magneto-hydrodynamic force)などが含まれる。

従来の圧電リレーは、ラッチング機構に接触するスイッチをラッチまたは他の方法で作動させるために、ラッチすることや圧電材料内の残留電荷を使用することがなかった。

高電流を急速に切り替えること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には問題が起きる。 このアーク放電により電極面に穴が開き、接点が壊れて導電性が低下してしまう。

液体金属をスイッチング素子として使用するマイクロスイッチが開発されている。 このマイクロスイッチは、気体が加熱されたときの膨張を利用して液体金属を移動させ、これによりスイッチング機能を作動させている。 液体金属は、他のマイクロマシン技術に対していくつかの利点を有している。 その利点とは、スイッチ機構をマイクロ溶接またはオーバーヒートさせず、金属同士の接触を利用して、比較的高い電力（約１００ｍＷ）の切り替えができることなどである。 しかしながら、加熱した気体を利用することには、いくつかの欠点がある。 この欠点とは、スイッチの状態を変えるためには比較的大量のエネルギが必要であり、切り替えのデューティサイクルが高い場合、切り替えによって生成される熱を放散させなければならないことである。 さらに、作動レートは比較的遅く、最大レートは数百ヘルツに限定されてしまう。

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。 このリレーは、一対の固定接点が一対の可動接点間に配置されている。 接点の表面が、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。 圧電或いは磁気抵抗アクチュエータは一対の可動接点を移動させるために付勢しており、固定接点の一方と可動接点の一方の間の間隙を閉じ、それによって導電液体の液滴を合体させて電気回路を形成している。 反対に、他方の固定接点と他方の切り替え接点の間の間隙は増大し、それによって導電液体の液滴を分離させ、電気回路を開いている。

本発明の新規と考えられる特徴を、付随する請求項に記載する。 しかしながら、本発明は構成と動作方法、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最良に理解されるであろう。 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実施形態が可能であるが、以下に図面を示して１つまたは複数の実施形態を説明する。 しかしながら、本開示は本発明の原理を例示するものにすぎず、本発明が図示されおよび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している。

本発明の電気リレーには、液体金属などの導電液体が用いられており、二つの電気接点間の間隙を橋渡しし、それによって接点間の電気回路を接続（complete、完成、閉路）している。 二つの固定電気接点は、一対の可動電気接点の間に配置されている。 接点の各表面は、導電液体の液滴を支持している。 例示している実施形態では、導電液体には、高導電率、低揮発性、および高表面張力を有する水銀などの液体金属が用いられている。 圧電または磁気抵抗アクチュエータは、二つの可動電気接点を支持する接点キャリアー(contact carrier)に取り付けられている。 ここでは、圧電アクチュエータと磁気抵抗アクチュエータを一括して「圧電アクチュエータ」と呼ぶ。 圧電アクチュエータを付勢して接点キャリアーを移動させ、これにより第１の可動接点が第１の固定接点へ向かって移動し、二つの導電液体の液滴を合体させ、接点間の電気回路を接続している。 接点の相対的配置は、第１の可動接点が第１の固定接点に向かって移動するにつれ、第２の可動接点が第２の固定接点から離間するようにしている。 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。 このとき、導電液体の液滴は単一塊内に合体したままとなる。 何故なら表面張力が液滴を一緒に保持するよう導電液体量を選択してあるからである。 圧電アクチュエータを付勢して第１の可動電気接点を第１の固定電気接点から離間させ、導電液体の液滴間の表面張力結合を断つことにより、電気回路は再び切断（broken、開路）されるようになる。 圧電アクチュエータを消勢したときに、接点間の間隙を橋渡しするのに十分な液体が存在しない場合には、液滴は分離したままになる。 リレーは、超微細加工技術により製造することができるようになっている。

ターフェノル(Terfenol)素子などの磁気抵抗アクチュエータを用いた場合、このアクチュエータはそこに磁界を印加することで付勢されることになる。 この磁界は、例えば電気コイルによって生成されている。

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を参照するに、リレー１００は、回路基板１０２、切り替え層１０４、およびキャップ層１０６の３層で構成されている。 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の電気的な接続を支持し、切り替え層に対しより下側の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製造することができ、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り製造することができるようになっている。 切り替え層１０４は、例えばセラミックやガラスで製造することができ、或いは絶縁層（セラミックなど）で被覆した金属で製造することができる。 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をシールしている。 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できる。 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にシールすることができるようになっている。

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を参照するに、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によりその下側をシールされているとともに、キャップ層１０６によりその上側をシールされている。 このキャビティは、不活性ガスで満たすことができる。 伸長可能な圧電素子１１０は、切り替え層１０４に取り付けられており、堅牢な接点キャリアー１１２を動作可能に移動させている。 接点キャリアー１１２は、可動電気接点１１４、１１６を支持している。 固定電気接点１１８、１２０は、切り替え層１０４と一体的に形成され、固定電気接点１１８、１２０の一部分であるバー１２１に取り付けられている。 固定電気接点１１８、１２０は、互いに電気的に接続することができるようになっている。 接点の露出面は、液体金属などの導電液体により濡れることができる（湿潤可能）ようになっている。 接点間の面は、液体の回遊を防止すべく濡れない（湿潤不能）なようになっている。 アクチュエータ１１０は、動作中に長さが増大（膨張、拡張）または減少（縮小）し、アクチュエータの自由端がバー１２１に対し近接または離間するようになっている。 接点の表面は、導電液体の液滴を支持している。 図２に示すように、接点１１４および接点１１８の間の液体は、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、合体して単一の塊１２４になっている。 かくして、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１１０の自由端がバー１１２へ向け移動すると、第１の可動接点１１４は第１の固定接点１１８へ向かって移動し、第２の可動接点１１６は第２の固定接点１２０から離間するようになる。 逆に、アクチュエータの自由端がバー１１２から離間する方向へ移動すると、第１の可動接点１１４は第１の固定接点１１８から離間し、第２の可動接点１１６が第２の固定接点１２０へ向かって移動するようになる。 接点１１４、１１８間の間隙が十分に大きいときは、導電液体は接点間の間隙を橋渡しするのに不十分であり、導電液体接続は切断されることになる。 接点１２０、１１６間の間隙が十分に小さいときは、二つの接点上の液滴は互いに合体し、電気的に接続されることになる。 導電液体の液滴は、流体の表面張力により所定の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実質に働く力(body force、体積力)より勝り、これにより液滴は所定場所に保持されることになる。

図３は、図２に示したラッチングリレーの３−３線に沿って切断した断面図である。 この図では、回路基板１０２、切り替え層１０４、およびキャップ層１０６の３層により示されている。 接点キャリアー１１２は、アクチュエータ１１０の自由端から支持されており、接点キャリアー１１２は、切り替えチャネル１０８内で可動になっている。 アクチュエータ１１０へ制御信号を供給するための電気接続配線（図示せず）は、回路基板１０２の上面に配置されるか、または回路基板のバイア(vias)を貫通させることができる。 同様に、接点パッドへの電気接続配線は、回路１０２の上面に配置してある。 外部接続は、回路基板下側の半田ボールを介して行なうか、或いは回路配線端部のパッドへの短いワイヤ接着を介して行なうことができる。

高表面張力をもった水銀または他の液体金属を用いて可撓性金属対金属電気接続(a flexible, metal-to-metal electrical connection)を形成することで、局部加熱により引き起こされる局部的腐食や酸化物の集積を排除した高電流容量を有する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が、図４に示してある。 図４では、キャップ層と導電液体は取り除いてある。 図４に示すように、可動接点１１４、１１６は、接点キャリアー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。 接点１１４、１１８は、対向（対面）するのではなく、互いに直角に置かれている。 接点１２０、１１６は、同様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および図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線に沿って切断した断面図である。 導電液体液滴１２４は、接点１２０、１１６間の間隙を充填していて、接点間の電気回路を接続している。 圧電アクチュエータ１１０に印加された制御信号がそれを伸長モードで変形させ、接点キャリアー１１２を移動させ、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する。 液体は各接点に一つずつの二つの液滴に分かれ、電気回路は切断される。 同時に、接点１１４、１１８は互いに接近し、液滴１２２は合体し、接点１１４、１１８間の回路を接続する。 液塊（液体の容量）は、アクチュエータを消勢してその非偏向位置に復帰させたときに、合体した液滴は合体したままとし、分離した液滴は分離したままとな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へラッチされることになる。

これらのリレーは、二つの端子間で信号を切り替えるのに用いることができる。

本発明は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ろう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。

本発明の幾つかの実施形態に共通するラッチングリレーの側面図である。

本発明の幾つかの実施形態に共通するキャップ層を取り除いた状態のラッチングリレーの平面図である。

本発明の幾つかの実施形態に共通するラッチングリレーの断面図である。

本発明の幾つかの実施形態に共通す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の平面図である。

本発明の幾つかの実施形態に共通するラッチングリレーのさらなる実施形態の断面図である。

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、切り替えチャネル １１０ 圧電素子、圧電アクチュエータ １１２ 接点キャリアー １１４ 第１の可動接点（第１の可動電気接点）
１１６ 第２の可動接点（第２の可動電気接点）
１１８ 第１の固定接点（第１の固定電気接点）
１２０ 第２の固定接点（第２の固定電気接点）
１２２ 液滴（第１の導電液の容量）
１２４ 液体（第２の導電液の容量）