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を、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を有している。 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。 それに加えて、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、一対の切り替え接点がスイッチバーの自由端に取り付けられており、一対の固定接点パッド間に配置されている。 各接点は、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が付勢されてスイッチバーを横方向に移動させ、固定接点パッドの一方と切り替え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、他方の固定接点パッドと他方の切り替え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ることになる。

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。 切り替え接点と呼ばれる二つの可動電気接点は、スイッチバーの自由端に取り付けられており、一対の固定接点パッド間に配置されている。 各接点の表面は、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。 圧電アクチュエータは、スイッチバーを横方向（側方）へ押圧し、それによって切り替え接点を移動させ、第１の切り替え接点が第１の固定接点パッドに向かって移動するよう構成されている。 これにより、接点上の導電液体の液滴を癒合させ、第１の切り替え接点と第１の固定接点パッドとの間の電気回路を閉路することになる。 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。 切り替え接点が固定接点パッド間に配置されているので、第１の切り替え接点が第１の固定接点パッドへ向かって移動するにつれ、第２の切り替え接点は第２の固定接点パッドから離間するようになっている。 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、切り替え接点はそれらの始動位置へ復帰することになる。 導電液体の液滴は単一塊内で癒合されたままであり、何故なら表面張力が液滴を一緒に保持するように、導電液体量は選択されているからである。 圧電アクチュエータを付勢してスイッチバーを引っ張り、第１の切り替え接点を第１の固定接点パッド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。 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っている。 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可能であり、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１０４に取り付けられている。 圧電アクチュエータ１１０は、伸長モードにおいて変形するように構成されている。 スイッチバー１１２はその一端を切り替え層に取り付け、他端は自由端にしており、これによりアクチュエータ１１０の動きがスイッチバー１１２の自由端をして図の横方向へ移動させるようになっている。 固定電気接点１１４，１１６は、切り替え層１０４に取り付けられている。 切り替え電気接点１１８，１２０は、スイッチバー１１２の自由端に取り付けられている。 これら切り替え電気接点は、互いに電気的に接続可能となっている。 接点の露出面は、液体金属などの導電液体により湿潤可能である。 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。

スイッチバー１１２の自由端が第１の切り替え接点１１８を第１の固定接点１１４から離間させるとき、第２の切り替え接点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、スイッチバー１１２の自由端が第１の切り替え接点１１８を第１の固定接点１１４へ向けて移動させるときは、第２の切り替え接点１２０が第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は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と切り替え層１０４及びキャップ層１０６である。 スイッチバー１１２の自由端は、切り替えキャビティ（チャンネル）１０８内で移動可能である。 アクチュエータ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に印加された制御信号がアクチュエータを伸長させ、スイッチバー１１２の自由端を固定接点１１４へ向けて移動させるようになっている。 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スイッチバーを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。

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。

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事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 １１２ スイッチバー １１４ 第１の固定接点パッド １１６ 第２の固定接点パッド １１８ 第１の切り替え接点 １２０ 第２の切り替え接点 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