Electric relay array

本発明は電気的な切り換えに用いられるマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）の分野に関し、より具体的には、液体金属の接点を備えた高周波数圧電作動式ラッチングリレーアレイに関する。

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換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、切り換えのデューティサイクルが高い場合、切り換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。

電気リレーアレイを開示する。 リレーアレイの各素子のうち、２つの電気接点がわずかな距離だけ離れて保持されている。 接点の対面するそれぞれの面は、液体金属などの導電性の液体の液滴を支持している。 例としての実施形態では、電気接点のうちの１つに接続された圧電アクチュエータに第１の方向で電圧を印加し、電気接点間の空隙を低減し、２つの導電性の液体の液滴を融合させて電気回路を接続（完成、complete）させている。 圧電アクチュエータの電圧を切断すると接点は開始位置に戻ることになる。 液体金属の液滴は、表面張力によって融合したままとなる。 電気回路は、圧電アクチュエータに電圧を印加し、電気接点間の空隙を増加させて導電性の液体液滴の間の表面張力結合を壊すことによって切断されることになる。 圧電アクチュエータへの電圧が切断されると、接点間の空隙を埋める十分な導電性の液体がなくなるため、液滴は分離したままとなる。 アセンブリ内にさらに導電体を追加して同軸構造を提供し、高周波数スイッチングを可能にしてもよい。 リレーアレイは、マイクロマシン製造技術によって製造するように修正可能である。

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アレイは、いくつかのリレー素子を備えている。 １つの実施形態では、各素子は互いに独立して動作している。 別の実施形態では、素子は協調してリレーアレイを形成しており、このリレーアレイは、マルチチャネルスイッチングまたは多重化(multiplexing)に使用することができる。 アレイ内の各リレーは、液体金属などの導電性の液体を使用して２つの電気接点の間の空隙を埋め、これによって接点間の電気回路を接続している。 ２つの電気接点は、わずかな距離だけ離れて保持されている。 接点のそれぞれ対向する面は、導電性の液体の液滴を支持している。 例としての実施形態では、導電性の液体は、高い導電性、低い揮発性、および大きな表面張力を有する水銀などの液体金属である。 アクチュエータは、第１の電気接点に接続されている。 例としての実施形態では、アクチュエータは圧電アクチュエータであるが、磁歪アクチュエータなどの他のアクチュエータも使用することができる。 以下では、圧電と磁歪は集合的に「圧電」と呼ぶ。

アクチュエータに電圧を印加すると、アクチュエータが第１の電気接点を第２の電気接点に向けて移動させ、２つの導電性の液体の液滴を融合して接点間の電気回路が接続されるようになる。 圧電アクチュエータの電圧を切断すると、第１の電気接点は開始位置に戻る。 導電性の液体の液滴は、表面張力により融合した状態のままである。 この方法でリレーがラッチされることになる。 圧電アクチュエータに電圧を印加して第１の電気接点を第２の電気接点から離れるように移動させ、導電性の液体の液滴の間の表面張力による結合を壊すことによって電気回路が切断されることになる。 圧電アクチュエータの電圧が切断されると、接点間の空隙を埋める十分な液体がなくなるので、液滴は分離したままとなる。 リレーはマイクロマシン製造技術によって製造できるように修正することができる。

例としての実施形態では、アレイは好ましくは１つまたは複数のスタックされたレベルを有し、各レベルには１つまたは複数のリレーが並んで配置されている。 このようにして、四角形のリレーのグリッドが形成されている。 図１は、本発明の実施の形態に係るラッチングリレーの一例を示す図である。 図１を参照すると、リレー１００は２つのレベルを有している。 下側のレベルは、下側のキャップ層１０２、スイッチング層１０４、および上側のキャップ層１０６を備えている。 上側のレベルも同様な構造であり、下側のキャップ層１０８、スイッチング層１１０、および上側のキャップ層１１２を備えている。 下側のキャップ層１０２と１０８は、スイッチング層内の素子への電気接続を支持しており、スイッチング層へ下側のキャップを提供している。 電気的な接続は、エンドキャップ１１４および１１６にルーティングされ、エンドキャップ１１４および１１６は、追加の回路ルーティングを提供し、リレーアレイに相互接続を提供している。 回路層１０２と１０８は、たとえばセラミックまたはシリコンなどで作成することができ、マイクロエレクトロニクスデバイスの製造などに使用されるマイクロマシン製造技術によって製造するように修正することができる。 スイッチング層１０４と１１０は、たとえばセラミックまたはガラスで作成してもよいし、または、絶縁層（セラミックなど）でコーティングされた金属で作成してもよい。

図２は、図１に示されているリレーアレイのエンドキャップを除去した端面図である。 図２を参照すると、３つのチャネルがスイッチング層１０４および１１０をそれぞれ貫通している。 各チャネルの一端は信号導体１１８を備え、信号導体１１８は、リレーのスイッチ接点のうちの１つに電気的に接続されている。 状況に応じては、グランドシールド１２０で各スイッチングチャネルを囲んでいてもよい。 グランドシールド１２０は、誘電層１２２で信号導体１１８から絶縁されている。 一つの例としての実施形態では、グランドシールド１２０は、トレースとして形成されており、このトレースは、部分的に上側のキャップ層１０６および１１２の下側と、下側のキャップ層１０２および１０８の上側に積層されている。 上側のキャップ層１０６および１１２は、それぞれスイッチング層１０４および１１０を覆うことにより密封している。 上側のキャップ層１０６および１１２は、たとえばセラミック、ガラス、金属、ポリマ、またはこれらの材料の組み合わせで作成することができる。 好ましくは、ガラス、セラミック、または、金属を例としての実施形態に使用して溶接密閉を提供することができる。

図３は、本発明のラッチングリレー１００の１つの実施形態を示す断面図であり、図２の３−３線に沿って切断したものである。 この図３では、エンドキャップを除去した状態を示している。 図３を参照すると、各スイッチング層には、スイッチングキャビティ３０２が内蔵されているる。 スイッチングキャビティ３０２は、不活性ガスで満たしてもよい。 第１の電気接点３０４は、キャビティ３０２内に配置されている。 第１のアクチュエータ３０６の一端は、信号導体３０８に接続され、第１のアクチュエータ３０６の他端は、第１の電気接点３０４を支持している。 動作においては、アクチュエータ３０６の長さを伸ばしたり縮めたりして第１の電気接点３０４を移動させている。 例としての実施形態では、アクチュエータ３０６は、圧電アクチュエータである。 濡れない導電性コーティング３１０が第１のアクチュエータ３０６を取り囲み、接点３０４が信号導体３０８に電気的に接続されている。 第２の電気接点３１２は、キャビティ３０２内に配置されて、第１の電気接点３０４と対向（対面）している。 第２のアクチュエータ３１４の一端は信号導体３１６に接続され、第２のアクチュエータ３１４の他端は、第２の電気接点３１２を支持している。 動作においては、アクチュエータ３１４の長さを伸ばしたり縮めたりして第２の電気接点３１２を移動させている。 代替の実施形態では、第２のアクチュエータ３１４を省略して、第２の接点３１２を信号導体３１６で支持している。 濡れない導電性コーティング３１８が第２のアクチュエータ３１４を取り囲み、接点３１２が信号導体３１６に電気的に接続されている。 アレイ内の他のリレーも同様の構成を備えている。

第１と第２の電気接点の対向する面は、導電性の液体によって濡らすことができるようになっている。 動作においては、これらの面は、導電性の液体の表面張力によってその場に保持される導電性の液体の液滴を支持している。 液滴が小さいので、表面張力は液滴の実質に働く力(body force)より勝り、液滴をその場に保持している。 例としての実施形態では、電気接点３０４および３１２は、好ましくは段状の面を備えている。 これによって表面積が増加し、導電性の液体を溜める場所が提供されている。 アクチュエータ３０６および３１４はそれぞれ、濡れない導電性コーティング３１０および３１８でコーティングされている。 コーティング３１０および３１８は、接点３０４および３１２をそれぞれ、信号導体３０８および３１６に電気的に接続し、導電性の液体がアクチュエータ３０６に沿って移動することを防いでいる。 信号導体３１６は、誘電層３２０によってグランドトレースから絶縁されている。 リレーアレイ内の他のリレーも同様の構成を備えている。

図３にはエンドキャップ１１６も示されている。 エンドキャップ１１６は、信号導体３１６と接触可能なように回路３２２を支持しており、そして回路３２４がグランドシールド１２０と接触することを可能にしている。 これらの回路はエンドキャップの縁または外面につながり、リレーの外部への接触を可能にしている。 同様な回路が設けられ、リレーアレイ内の各リレーの接続を可能にしている。

図４は、図１に示されたラッチングリレーの４−４線に沿って切断した断面図である。 この図は、下側のキャップ層１０２、スイッチング層１０４、および上側のキャップ層１０６で形成された下側のレベルの３つの層と、下側のキャップ層１０８、スイッチング層１１０、および上側のキャップ層１１２で形成された上側のレベルの３つの層を示している。 図４を参照すると、第１のアクチュエータ３０６がスイッチングキャビティ３０２内に配置されている。 スイッチングキャビティ３０２は、下側のキャップ層１０２で下側を密封され、上側のキャップ層１０６で上側を密封されている。 オプションのグランドシールド１２０がスイッチング層１０４内のチャネルの内側を覆い、アクチュエータ３０６と、アクチュエータ３０６の濡れない導電性コーティング３１０を取り囲んでいる。 これによりリレーの高周波数スイッチングが促進されることになる。

図５は、上記のリレーアレイ（図１から図４）のキャップ層を除去したものを示している。 上側のキャップ層の下面上に付着されたグランドシールドの上部も除去されている。 スイッチング層１０４は、誘電層１２２および３２０でカバーされた２つの信号導体の間のチャネル内に形成されたスイッチングキャビティを内蔵している。 スイッチングキャビティの中には第１と第２の電気接点が備えられ、これらの電気接点は導電性の液体の液滴５０２および５０４によってコーティングされている。 また、チャネル内には、濡れない導電性コーティング３１０と３１８でコーティングされたアクチュエータが備えられている。 液体の液滴５０２で濡れた第１の電気接点は、液体の液滴５０４で濡れた第２の電気接点と対向（対面）する位置に配設されている。 第２の電気接点は、第２の信号導体に直接取り付けてもよいし、または図示したように、コーティング３１８によって第２のアクチュエータに取り付けてもよい。 第２のアクチュエータは、第１のアクチュエータと対向するように動作している。 グランドシールド１２０はスイッチング層内のチャネルの内側を覆っている。 導電性の液体の容量と接点間の間隔は、液体が接点内の空隙を埋めるには不十分であるような容量および間隔になっている。 図５のように液体の液滴が分離すると、接点間の電気回路は開く（切断される）ようになる。

接点間の電気回路を接続（完成）させるには、接点を共に動かし２つの液体の液滴を融合（合体）させる。 これは、１つのアクチュエータまたは両方のアクチュエータに電圧を印加することによって行うことができる。 液滴が融合すると電気回路は完成する。 アクチュエータの電圧を切断すると接点は元の位置に戻る。 しかし導電性の液体の容量と接点の間隔は、液体の表面張力により液体の液滴が融合したままであるような容量および間隔になっている。 この状態を図６に示している。 図６を参照すると、２つの液滴は単一の液体容量５０６として融合したままになっている。 この方法でリレーはラッチされ、リレーアクチュエータの電圧を切断しても電気回路は完成したままになる。 電気回路が閉じると、信号経路は、第１の信号導体から、第１の導電性コーティング、第１の接点、導電性の液体、第２の接点、第２の導電性コーティング、最後に第２の信号導体を介するようになる。 グランド導体は信号経路を取り囲むシールドを提供している。 大きな表面張力を有する水銀または他の液体金属を使用して融通性のある非接触式電気接続を形成することにより、結果として、局所的な加熱により穴が生じたり酸素が蓄積することを避けることができる、大電流容量を有するリレーが形成されることになる。 電気回路を再び切断するには、２つの電気接点の間の距離を増加させて、２つの液体の液滴の間の表面張力結合を壊すようにする。

図７は、上側のキャップ層１０６の底面の図を示している。 上側のキャップ層１０６は、スイッチング層内のチャネルを密封している。 スイッチング層のスイッチングチャネルごとに１つあるグランドトレース１２０は、上側のキャップ層の表面上に付着され、信号導体とスイッチング機構と同軸であるグランドシールドの１つの側面を形成している。 同様なグランドトレースが下側のキャップ層の上側の面にも付着されている。

図８は本発明の別の実施形態を示している。 図８では、５レベルのリレーアレイ１００を示しており、レベルごとに５つのスイッチング素子を備えている。 明確に示すために、アレイ本体８００のレベルの詳細は省略する。 第１のエンドキャップ１１４は回路３２４を支持し、第１の信号導体（図示せず）への接続を可能にしている。 第２のエンドキャップ１１６は回路３２２を支持し、第２の信号導体への接続を可能にしている。 追加の回路（図示せず）は、入力信号８０２の接続回路３２２への接続を可能にし、また、回路３２４の出力８０４への接続を可能にしている。 この実施形態では、１つの入力信号がアレイの各レベル(ロー、row)に提供され、１つの出力信号がアレイの各コラムに提供されている。 アレイの素子により任意の入力信号が任意の出力に接続できるようになっている。 このアレイは、マトリックス信号回線多重化装置(multiplexer)として機能している。

本発明を特定の実施形態に関して説明したが、当業者であれば上記の説明に照らして多くの代替例、修正例、置き換え例、変形例が明らかであろう。 したがって、本発明は、このような代替例、修正例、変形例も付随する請求項の範囲内に包含することを目的とするものである。

本発明の所定の実施形態によるラッチングリレーアレイの例としての実施形態の図である。

本発明の所定の実施形態によるラッチングリレーアレイの端面図である。

本発明の所定の実施形態によるラッチングリレーアレイの断面図である。

本発明の所定の実施形態によるラッチングリレーアレイの別の断面図である。

本発明の所定の実施形態による、スイッチが開いた状態のラッチングリレーアレイのスイッチング層の図である。

本発明の所定の実施形態による、スイッチが閉じた状態のラッチングリレーアレイのスイッチング層の図である。

本発明の所定の実施形態によるラッチングリレーアレイのキャップ層の図である。

本発明の所定の実施形態によるラッチングリレーアレイを使用したマトリックスマルチプレクサの図である。

符号の説明

１００ ラッチングリレー １０２ 下側キャップ層 １０４ スイッチング層 １０６ 上側キャップ層 １１４ 第１のエンドキャップ １１６ 第２のエンドキャップ １２０ グランドシールド １２２ 誘電層 ３０２ チャネル ３０４ 第１の電気接点 ３０６ 第１のアクチュエータ ３０８ 第1の信号導体 ３１２ 第２の電気接点 ３１４ 第２のアクチュエータ ３１６ 第２の信号導体 ３２２ 回路 ５０２ 第１の導電性の液体の液滴 ５０４ 第２の導電性の液体の液滴 ５０６ 単一の液体容量