High-frequency latching relay including inflection type switch bar

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を持つ圧電作動式ラッチングリレーに関する。

電気スイッチにおいて水銀等の液体金属は２つの導体間に電気経路を提供する為に使用される。 その一例には水銀サーモスタットスイッチがあり、これはバイメタル・ストリップコイルが温度に反応して水銀を入れている細長い空洞の角度を変化させるものである。 空洞内の水銀は高い表面張力を持つ為、単一の液滴を形成している。 この水銀液滴は、重力により空洞の角度に応じて空洞中の電気的な接触子を含む端部、或いは他方の端部へと移動する。 手動型液体金属スイッチにおいては、水銀液滴を空洞内で移動させる為に永久磁石が用いられる。

液体金属は、また、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、及び磁気流体力を含む様々な方法により移動させることが出来る。

従来の圧電リレーは、ラッチしない、又は圧電材料中の残留電荷を用いてラッチする、或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クの為に問題が生じる。 アークは接触部に損傷を与え、電極表面における点食(孔食、pitting)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、スイッチングの反復（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接触子がスイッチバーの固定されていない端部に取り付けられ、一対の固定接触子パッド間に配置される。 各接触は液体金属等の導電性液滴を支持するものである。 圧電アクチュエータが作動してスイッチバーを横方向に動かし、固定接触子パッドの一方とスイッチング接触子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接触子パッドと他方のスイッチング接触子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。

本発明の新規の特徴及び考えられる特性は請求項に記載した。 しかしながら本発明自体はその利用形態及び更なる目的及び利点と共に以下に説明する詳細な実施例を、添付図を参照しつつ読むことにより理解することが出来る。

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が、本願においては図に示した１つ以上の特定の実施例に沿って説明する。 しかしながら、本開示はあくまでも本発明の原理の一例にしか過ぎず、本発明を図示及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、同様又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、２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「スイッチング接触子」と呼ぶ）は、スイッチバーの固定されていない端部に取り付けられ、一対の固定接触子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、低い揮発性及び高い表面張力を持つ水銀のような液体金属である。 圧電アクチュエータはスイッチバーを横方向に押す、或いは引くように構成されており、これにより第一のスイッチング接触子が第一の固定接触子パッドに向かって動くことになるようにスイッチング接触子を移動させるものである。 圧電アクチュエータの代わりに、磁界がある場合に変形するＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄのような磁歪アクチュエータを用いることも出来る。 結局のところ、圧電アクチュエータも磁歪アクチュエータも集合的に「圧電アクチュエータ」と呼ばれる。 これにより接触上にある導電性液滴が癒着して第一のスイッチング接触子と第一の固定接触子パッド間に電気回路が完成する。 スイッチング接触子は固定接触子パッド間に配置されている為、第一のスイッチング接触子が第一の固定接触子パッドに向かって移動すると、第二のスイッチング接触子は第二の固定接触子パッドから離れることになる。 スイッチ状態が変化した後、圧電アクチュエータの電源が絶たれ、スイッチング接触子は開始位置に戻る。 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一のスイッチング接触子を第一の接触子パッドから離し、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、接触間のギャップをブリッジするに十分な液体がないときは、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及びキャップ層１０６の３つの層を含む。 これら３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、例えばセラミック又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出来る。 スイッチング層１０４は例えばセラミック又はガラス等から、或いは絶縁層（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出来る。 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、金属又はポリマー、或いはこれらの材料の組み合わせから形成することが出来る。 実施例においては、気密封止を作るようにガラス、セラミック又は金属が用いられている。

図２は、キャップ層及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はその下部が回路基板１０２により、そしてその上部がキャップ層１０６により封止されるものである。 スイッチング空洞１０８は不活性気体で満たされていても良い。 圧電アクチュエータ１１０はスイッチング層１０４に取り付けられている。 スイッチバー１１２はスイッチング層１０４の一端に取り付けられており、他方の端部は固定されていない。 取り付けられた方の端部は蝶番式に、或いは固定して取り付けることが出来る。 圧電アクチュエータ１１０は引張モードにおいては変形可能であり、スイッチバー１１２に作動してスイッチバー１１２の固定されていない端部が固定接触子パッド１２２及び１２４間で横方向に移動する。 スイッチング接触子１１４及び１１６はスイッチバー１１２の固定されていない端部に取り付けられている。 本実施例においては、電気信号はスイッチング接触子１１４及び１１６へと電気的に結合する、スイッチバー１１２上の更なる可動式接触子１１８及び１２０を通じてスイッチング接触子へとルーティングされる。 追加可動式接触子は、追加可動式接触子とパッド１２６間を濡らす液体金属等の導電性液滴を通じて回路基板上の電気パッド１２６へと結合する。 接触子１１８及び１２０とスイッチング接触子１１４及び１１６間の表面は、導電性液体の移動を防ぎ、適正な液体量を維持することが出来るように非濡れ性である。 他の実施例においては、スイッチング接触子１１４及び１１６への電気信号は回路トレース又はスイッチバー１１２上の導電性コーティングを通じて供給される。 固定接触子パッド１２２及び１２４は、回路基板１０２へと取り付けられている。 接触子の露出面は、液体金属のような導電性液体による濡れ性を持っている。 電気接触子を分離する外部表面は、液体の移動を防ぐように非濡れ性となっている。 作動においては、引張モードにおいてアクチュエータ１１０が圧電素子への電圧印加により変形する。 スイッチバー１１２はレバーとして作動し、アクチュエータ１１０の転移を増幅する。 スイッチバー１１２の転移により、固定接触子１２２及び１２４間でスイッチング接触子１１４及び１１６が動くことになる。 低周波数スイッチングの場合、接触子パッド１２２、１２４及び１２６は、回路基板１０２の底部にあるパッドとはんだボールをルーティングする好適な回路を通じてマザー基板へと接続することが出来る。 中間及び高周波数スイッチングの場合においては、スイッチング接触子パッド１２２、１２４及び１２６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出来る回路トレース１３４、１３６及び１２８をそれぞれに通じて電気接続される。 さら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を設けることが出来る。 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及びキャップ層１０６の３つの層を示している。 スイッチバー１１２の固定されていない端部はスイッチングチャンネル１０８中において固定接触子パッド１２２及び１２４間で可動性を持つ。 制御信号を圧電アクチュエータ１１０へと供給する電気接続トレース（図示せず）は、回路基板１０２の上面上に形成しても、或いは回路基板１０２中の経路を通しても良い。 各接触子は、液体の表面張力により所定位置に維持される導電性液滴を支持している。 液滴のサイズが小さいことにより、表面張力が液滴上のあらゆる体積力をしのぎ、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。 接触子１１４及び１２２間の液体は、２つの液滴１４０へと、それぞれが接触子１１４及び１２２各々の上にある状態に分離されている。 接触子１１６及び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子１１６及び１２４間にはあるが、接触子１１４及び１２２間にはない。

スイッチバー１１２が第一の方向へと転移した場合、第一のスイッチング接触子１１４が第一の固定接触子１２２へと向かって移動し、第二のスイッチング接触子１１６が第二の固定接触子１２４から離れる方向に移動する。 接触子１１６及び１２４間の間隙が十分に大きい場合、導電性液体は接触子間の間隔をブリッジするには不十分となり、導電性液体接続１４２は絶たれる。 接触子１１６及び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子間に電気接続を形成する。 液体の量は、アクチュエータに電源が入っておらず、スイッチバー１１２が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が分離したまま残ることになるように選択される。 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、スイッチバー１１２を反対方向へと移動させて接触子１１４及び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又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する高い電流容量を持つリレーを作ることが出来る。

回路基板１０２の上面図を図４に示した。 信号トレース１２８、１３４及び１３６が固定接触子パッド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が濡れ性を持たない材料で覆われており、導電性液体の望ましくない転移が回避されている。 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、電気的遮蔽が施されている。 経路（vias）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おり、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及びダウンストリーム信号電流を囲むことが出来る。 トレースにおけるあらゆる湾曲は４５？ 未満であり、反射が最小化されている。 制御信号をアクチュエータ１１０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１０２上に形成することが出来る。 代わりに、アクチュエータ１１０を基板１０２底部に設けた好適な回路ルーティング、パッド及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が接触子１１８及び１２０と固定接触子パッド１２６間の間隙を満たしており、これらの間に電気回路が実現されている。 液体量は、スイッチバー１１２の動きにより液体接続が絶たれることがないように選択される。 接触子パッド１２６のいずれかの側にある上部グランドトレース１３０は、経路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、接触子パッド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１１２の動きによって接触子パッド１２２或いは接触子パッド１２４のいずれかにスイッチングされる。

図６は、図２の線６−６を通じて切断した場合の断面図である。 圧電アクチュエータ１１０の一端がスイッチング層１０４へと、そして他端がスイッチバー１１２へと取り付けられている。 作動においては、アクチュエータ１１０が引張、或いは収縮することで、スイッチバー１１２を押す、或いは引き、これを横方向に転移させる。

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、入れ替え及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、入れ替え及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。

以上本発明の各実施例について説明したが、実施例の理解を容易にするために、実施例ごとの要約を以下に列挙する。
〔１〕 キャップ層（１０６）と、回路基板（１０２）と、前記回路基板（１０２）と前記キャップ層（１０６）との間に配置され、その中にスイッチング空洞（１０８）を有するスイッチング層（１０４）と、前記スイッチング空洞（１０８）の中において、前記回路基板上に形成され、それぞれに第一（１２２）及び第二（１２４）の固定接触子パッドにて終わる第一（１３４）及び第二（１３６）の電気トレースと、前記スイッチング層（１０４）に結合する固定端部と固定されていない端部とを持つスイッチバー（１１２）と、前記スイッチバー（１１２）の前記固定されていない端部に取り付けられ、前記第一（１２２）及び第二（１２４）の固定接触子パッドの間に配置された第一（１１４）及び第二（１１６）のスイッチング接触子と、前記回路基板（１０２）上に形成され、前記第一（１１４）及び第二（１１６）のスイッチング接触子の少なくとも一方に電気的に結合する第三の電気トレース（１２８）と、前記第一（１３４）、第二（１３６）及び第三（１２８）の電気トレースに電気的遮蔽を提供するように前記回路基板（１０２）上に形成された第一の複数のグランドトレース（１３０）と、前記スイッチング層（１０４）に結合し、前記スイッチバー（１１２）の前記固定されていない端部と前記固定された端部との間に結合する圧電アクチュエータ（１１０）であって、引張モードにおいては変形可能となって前記スイッチバーを転移させることにより、前記第一（１１４）及び第二（１１６）のスイッチング接触子を前記第一（１２２）及び第二（１２４）の固定接触子パッド間で動かす前記圧電アクチュエータ（１１０）と、前記第一のスイッチング接触子（１１４）及び前記第一の固定接触子パッド（１２２）に濡れ接触する第一の導電性液体塊（１４０）と、そして前記第二のスイッチング接触子（１１６）及び前記第二の固定接触子パッド（１２４）に濡れ接触する第二の導電性液体塊（１４２）とを具備し、前記スイッチング接触子の第一の方向への動きにより、前記第一の導電性液体塊（１４０）が前記第一のスイッチング接触子（１１４）と前記第一の固定接触子パッド（１２２）との間に接続を形成すると共に前記第二の導電性液体塊（１４２）が２つの液滴へと分離し、これにより前記第二のスイッチング接触子（１１６）と前記第二の固定接触子パッド（１２４）との間の接続が絶たれ、そして前記スイッチング接触子の第二の方向への動きにより、前記第一の導電性液体塊（１４０）が２つの液滴へと分離して前記第一のスイッチング接触子（１１４）と前記第一の固定接触子パッド（１２２）との間の接続を絶ち、そして前記第二の導電性液体塊（１４２）が前記第二のスイッチング接触子（１１６）と前記第二の固定接触子パッド（１２４）との間に接続を形成するものであることを特徴とする電気リレー。
〔２〕 前記第一（１４０）及び第二（１４２）の導電性液体塊が、液体金属液滴であることを特徴とする〔１〕に記載の電気リレー。
〔３〕 前記第一（１４０）及び第二（１４２）の導電性液体塊が、前記スイッチバー（１１２）が転移されない場合は繋がった塊は繋がったままであり、前記スイッチバー（１１２）が転移されない場合は分離した液滴は分離したままであることを特徴とする〔１〕に記載の電気リレー。
〔４〕 前記スイッチバー（１１２）により支持され、前記第一（１１４）及び第二（１１６）のスイッチング接触子の少なくとも一方へと電気的に結合する第一の可動式接触（１１８）と、前記第一の可動式接触子（１１８）の付近に配置され、前記第三の電気トレース（１２８）へと電気的に結合する第三の固定接触子パッド（１２６）と、前記第一の可動式接触子（１１８）と前記第三の固定接触子パッド（１２６）に濡れ接触してそれらの間に電気接続を形成する第三の導電性液体塊（１５２）とを更に具備し、前記スイッチバー（１１２）が転移した場合に前記第一の可動式接触子（１１８）と前記第三の固定接触子パッド（１２６）との間の電気接触が維持されるように、前記第三の導電性液体塊（１５２）のサイズが調整されたことを特徴とする〔１〕に記載の電気リレー。
〔５〕 前記第一（１３４）、第二（１３６）及び第三（１２８）の電気トレースの少なくとも一つが、前記回路基板（１０２）の一端で終わっていることを特徴とする〔１〕に記載の電気リレー。
〔６〕前記回路基板（１０２）の下面上に形成された第二の複数のグランドトレース（１３２）を更に具備し、前記第一の複数のグランドトレース（１３０）が前記回路基板（１０２）を貫通する１つ以上の経路（１５０）を通じて前記第二の複数のグランドトレース（１３２）へと電気的に接続されていることを特徴とする〔１〕に記載の電気リレー。
〔７〕 前記リレーがマイクロマシン加工法により製造されることを特徴とする〔１〕に記載の電気リレー。
〔８〕 前記スイッチバー（１１２）の前記固定端部が前記スイッチング層（１０４）にしっかりと固定されたものであることを特徴とする〔１〕に記載の電気リレー。
〔９〕 前記スイッチバー（１１２）の前記固定端部が前記スイッチング層（１０４）に蝶番式に取り付けられたものであることを特徴とする〔１〕に記載の電気リレー。
〔１０〕 前記第一（１１４）及び第二（１１６）のスイッチング接触子が、前記導電性液体に対する濡れ性を持たない表面により分離されていることを特徴とする〔１〕に記載の電気リレー。
〔１１〕 前記第一の複数のグランドトレース（１３０）のうち、全てのグランドトレースが相互に電気的に結合していることを特徴とする〔１〕に記載の電気リレー。
〔１２〕 前記第一（１１４）及び第二（１１６）のスイッチング接触子が、相互に電気的に結合していることを特徴とする〔１〕に記載の電気リレー。
〔１３〕 前記第三の電気トレース（１２８）が前記第一のスイッチング接触子（１１４）へと電気的に結合していることを特徴とし、前記回路基板（１０２）上に形成され、前記第二のスイッチング接触子（１１６）へと電気的に結合する第四の電気トレースを更に具備した〔１〕に記載の電気リレー。

本発明のラッチングリレーの側面図である。

本発明の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である。

本発明のラッチングリレーの断面図である。

本発明の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である。

本発明のラッチングリレーの別の側面の断面図である。

本発明のラッチングリレーの更に別の側面の断面図である。

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 圧電アクチュエータ１１２ スイッチバー１１４ 第一のスイッチング接触子１１６ 第二のスイッチング接触子１１８ 第一の可動式接触子１２２ 第一の固定接触子パッド１２４ 第二の固定接触子パッド１２６ 第三の固定接触子パッド１２８ 第三の電気トレース１３０ グランドトレース１３２ 第二のグランドトレース１３４ 第一の電気トレース１３６ 第二の電気トレース１４０ 第一の導電性液体塊１４２ 第二の導電性液体塊１５０ 経路