JP2004319480A - 縦モードの制動ラッチングリレー - Google Patents

Abstract

【課題】 スイッチング時間が短く、熱の生成も少ない圧電リレーを提供する。
【解決手段】 スイッチングチャネル（１３０）内で動くように構成された固体スラグ（１３２）と、前記スイッチングチャネル内に配置され、液体で濡らすことのできる表面を有する第１の接点パッド（１４０）、第２の接点パッド（１３６）、および第３の接点パッド（１３８）と、前記固体スラグ（１３２）と接触する導電性液体のボリューム（１４２）と、第１の位置に前記固体スラグ（１３２）を移動する第１の圧電アクチュエータ（５０）と、第２の位置に前記固体スラグ（１３２）を移動する第２の圧電アクチュエータ（５４）とを備える圧電リレー。
【選択図】 図３

Description

本発明は電気スイッチングリレーの分野に関し、特に、液体の表面張力でラッチする圧電作動式リレーに関する。

水銀などの液体金属は２つの導体間に電気経路を提供するために電気スイッチ内で使用されてきた。この例は水銀サーモスタットスイッチであり、水銀サーモスタットスイッチでは、バイメタル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。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する。水銀の液滴は重力によって、電気接点を含むキャビティの端に移動するかまたは他の端に移動し、どちらに移動するかはキャビティの角度に依存する。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る。

液体金属はリレー内にも使用される。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、圧電材料内の残留電荷をラッチすることもなくまた使用することもなかった。

高電流の急速なスイッチング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。アーク放電により、電極面に穴が開くため接点が壊れ導電性が低下する。

液体金属をスイッチング素子として使用し、気体が加熱されたときの膨張を使用して液体金属を移動しスイッチング機能を作動させるマイクロスイッチが開発されている。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する。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に金属と金属の接触を使用して、比較的高電力（約１００ｍＷ）をスイッチできる機能などである。しかし、加熱した気体の使用にはいくつかの欠点がある。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、スイッチングのデューティサイクルが高い場合、スイッチングから生成される熱を放散させなければならない。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る。

本発明は、チャネル内で固体スラグを移動し、チャネル内の接点パッド間の電気回路を作成または切断する電気スイッチに関する。固体スラグは圧電素子で移動する。例としての実施形態では、スラグはたとえば液体金属などの導電性液体で濡らし、導電性物体はまたチャネル内の濡らすことのできる金属接点パッドに接着して、ラッチング機構を提供する。固定スラグの動きを制動して破損を防ぐことができる。

本発明の新規と考えられる特徴を特に付随する請求項で述べる。しかし本発明は構成と動作方法のいずれに関しても、また、本発明の目的と利点に関しても、本発明の例示的な実施形態を記述する以下の詳細な説明を、付随する図面と共に参照することにより、最良に理解されるであろう。

本発明は多くの異なる形態の実施形態が可能であるが、次に図面を示して１つまたは複数の具体的な実施形態を詳細に説明する。しかし、本開示は本発明の原理を例示するものにすぎず、本発明を図示され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する。

本発明は、濡らすことのできる固体スラグと液体によってスイッチしラッチする、圧電作動式リレーに関する。

例としての実施形態では、本発明のリレーは圧電素子を使用して固体スラグを移動する。本明細書では「固体」という用語は「液体ではない」という意味である。スラグは中空であってもよい。スラグは電気回路を作成または切断し、電気信号のスイッチングを可能にする。固体スラグは液体の表面張力によってその場に保持され、液体は好ましくは水銀などの液体金属であり、固体スラグと、リレー筐体上の少なくとも１つの固定接点パッドの間を濡らす。圧電アクチュエータの代替として、磁場の存在で変形するＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄなどの磁歪アクチュエータも使用することができる。以下では、圧電アクチュエータと磁歪アクチュエータは集合的に「圧電アクチュエータ」と呼ぶ。

一実施形態では、マイクロマシン製造技術を使用してリレーを製造する。図１にリレー１００の端面図を示す。この実施形態では、リレーの本体は３つの層からなり、マイクロマシン技術で製造するように修正できる。最下層は回路基板１０６であり、回路基板１０６については図６と図７を参照して次に詳細に説明する。次の層はスイッチング層１０４である。電気信号のスイッチングはこの層に含まれるスイッチングチャネル内で発生する。スイッチング層はまた、スイッチングチャネル内の圧力の変動を緩和するための圧力解放通路も含む。キャップ層１０２はスイッチングチャネルのキャップを提供する。

図２はリレー１００の上面図であり、キャップ層１０２を示す。図３には３−３の断面図を示す。図５には５−５の断面図を示す。

図３は、図２に示されたリレーの断面３−３の断面図を示す。スイッチングチャネル１３０はスイッチング層１０４内に形成される。固体スラグ１３２はスイッチングチャネル内に移動可能に配置される。３つの電気接点パッド１３６、１３８、１４０がスイッチングチャネル内の回路基板１０６に固定される。これらの接点パッドは蒸着または他のマイクロマシン製造技術によって回路基板１０６上に形成することができる。接点パッドは液体金属などの液体によって濡らすことができる。固体スラグ１３２を図３に示されるように配置すると、導電性液体１４２が固体スラグの表面と、接点パッド１３６と１３８の表面を濡らす。表面張力が固体スラグをこの位置に保持する。追加の液体１４４が接点パッド１４０を濡らす。

圧電素子５０と５４をスイッチング層１０４の基板上に接着する。圧電素子への電気接続（図示せず）は回路基板１０６の上に沿ってリレーの縁に通過させるか、または、回路基板内の穴またはバイアを介して通過させ、リレーの底面の接続パッドに接続させる。

固体スラグが図３に示された位置を占めると、接点パッド１３６と１３８の間の電気回路はスラグと液体によって完成するが、接点パッド１４０と１３８の間の電気回路は不完全である。リレーのスイッチ状態を変えるには、圧電素子５０に電位を印加することによって圧電素子５０に電圧を印加する。これによって圧電素子５０が拡大し、固体スラグ１３２の端に推進力を与える。圧電素子の動きは速く、固体スラグに加えられる推進力は、固体スラグを作動側圧電素子の近くの接点パッドに接触させている（液体からの）表面張力を超える。図４に示すように、表面張力ラッチは壊れ、固体スラグはスイッチングチャネルの左端に移動する。固体スラグ１３２は接点パッド１３８と１４０と濡れて接触し、この新しい位置でラッチされる。この新しい位置では、接点パッド１４０と１３８の間の電気回路はスラグと液体によって完成するが、接点パッド１３６と１３８の間の電気回路は切断する。

スイッチ状態は、圧電素子５４に電圧を印加し固体スラグを移動させることによって、図４に示された状態から図３に示された元の状態に戻すことができる。固体スラグが元の位置に戻ると、液体の表面張力によってその位置に再びラッチされる。

スイッチングスラグがスイッチングの時新しい位置に付いた時に、壊れやすい圧電素子が破損することを防ぐために、エネルギ散逸素子を使用して衝撃力を弱める。図３と図４に示された本発明の第１の実施形態では、対応した、エネルギ吸収面５２と５６を圧電素子５０と５４にそれぞれ使用する。「ソルボセイン」などの材料がショックと振動の吸収に効果的である。次に図６を参照して代替の実施形態を示す。

図５は、図２に示された断面５−５を介したリレーの断面図である。固体スラグ１３２は接点パッド１３６の上に安定し、導電性液体１４２の表面張力でこの場に保持されている。圧力解放通路１５０はスイッチングチャネルの端に結合し、液体がスイッチングチャネルの端から別の端に流れることを可能にする。

図６は、リレーの第２の実施形態のスイッチング層１０４の上面図である。圧力解放チャネル１５０は排出穴１５２と１５４によってスイッチングチャネル１３０の端に結合される。液体がスイッチングチャネルの１端から排出穴を介して他の端に流れるようにすることより、固体スラグ１３２が動いたことによって生じるスイッチングチャネル内の圧力の変動は、圧力解放チャネル１５０によって等しくなる。アクチュエータ５０がスラグを押してスラグ１３２を作動させると、アクチュエータの面はスラグを、排出開口部１５２のレベルまで押し、アクチュエータ面とスラグの端部の間にありスラグを押し戻す真空を解放する。スラグは好ましくは、アクチュエータ５０と５４があるくぼみにちょうどフィットする広さの形状の端を有する。図６に示された実施形態では、エネルギ吸収面５２と５６がなく、スイッチングチャネルは圧電アクチュエータの近くで狭くなっているので、チャネル壁と、圧電アクチュエータ面の安定位置と排出開口部の間のスラグ部分の間にはほとんど間隔がない。スラグがここに来ると液体金属はスラグとアクチュエータ面の間にとらわれ、スラグを囲む開口部を介して圧縮され、制動を提供する。種々の通路設計を使用して、液体金属の流れと制動をよりよく制御することができる。この制動方法の１つの利点は、スラグが分かれたときには最小の制動しかないということである。圧電アクチュエータ５０と５４はスイッチングチャネル１３０内のスイッチング層１０４に接着する。

図７は回路基板１０６の上面図である。基板の上部には３つの接点パッド１３６、１３８、１４０が形成される。接点パッドの面はスイッチングチャネル内の液体で濡らすことができる。接点パッドは好ましくは、濡らすことのできる金属で構成される。例としての実施形態では、電気回路を回路基板上に形成し、圧電アクチュエータへの接続を可能にする。

図８は図７に示された断面ＣＣを介した回路基板の断面図である。この実施形態では、接点パッド１３６への電気接続１４８は回路基板１０６の中の穴を通過する。同様な接続が他の接点パッドに備えられる。代替の実施形態では、電気接続は回路基板の表面上に蒸着させて基板の縁で終了する。

本発明の電気リレーは小型化のためにマイクロマシン製造技術で作成することができる。スイッチング時間は短く、数ｋＨｚまたはこれ以上のスイッチングレートが可能である。熱が生成される部分は圧電素子と、導体から圧電素子を介した制御電流の通路だけなので、熱の生成も少ない。

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したものである。

本発明の一部の実施形態によるリレーの端面図である。 本発明の一部の実施形態によるリレーの上面図である。 本発明の一部の実施形態によるリレーの断面図である。 本発明の一部の実施形態によるリレーの別の断面図である。 本発明の一部の実施形態によるリレーのさらに別の断面図である。 本発明の一部の実施形態による、キャップ層を除いたリレーのスイッチング層の上面図である。 本発明の一部の実施形態によるリレーの回路基板の図である。 本発明の一部の実施形態による回路基板の断面図である。

符号の説明

５０、５４ 圧電アクチュエータ
１００ リレー筐体
１３０ スイッチングチャネル
１３２ 固体スラグ
１３６、１３８、１４０ 接点パッド
１４２ ボリューム

Claims (10)

1. 圧電リレーであって、
   スイッチングチャネルを含むリレー筐体と、
   前記スイッチングチャネル内で動くように構成された固体スラグと、
   前記スイッチングチャネル内に配置され、液体で濡らすことのできる表面を有する第１の接点パッドと、
   前記スイッチングチャネル内に配置され、液体で濡らすことのできる表面を有する第２の接点パッドと、
   前記スイッチングチャネル内に配置され、液体で濡らすことのできる表面を有する第３の接点パッドと、
   前記固体スラグと濡れて接触する導電性液体のボリュームと、
   前記固体スラグに推進力を与え、前記固体スラグが前記第１と第２の接点パッドの間の電気回路を完成する、前記スイッチングチャネル内の第１の位置に前記固体スラグを移動するように動作可能な第１の圧電アクチュエータと、
   前記固体スラグに推進力を与え、前記固体スラグが前記第２と第３の接点パッドの間の電気回路を完成する、前記スイッチングチャネル内の第２の位置に前記固体スラグを移動するように動作可能な第２の圧電アクチュエータとを備える圧電リレー。
2. 圧力解放通路と、
   前記スイッチングチャネルの端に向かって開き、前記スイッチングチャネルを前記圧力解放通路に接続し、前記固体スラグが移動した時に前記スイッチングチャネル内の圧力を解放するように構成される第１と第２の圧力解放排出口とをさらに備える請求項１に記載の圧電リレー。
3. 前記スイッチングチャネルが前記第１と第２の圧力解放排出口の近辺で狭まり、前記固体スラグの動きを制動する請求項２に記載の圧電リレー。
4. 前記導電性液体は液体金属である請求項１に記載の圧電リレー。
5. 第１の対応するエネルギ吸収表面であって、前記第１の圧電アクチュエータの端に接着され、前記第１の圧電アクチュエータと前記固体スラグの間に配置される第１のエネルギ吸収表面と、
   第２の対応するエネルギ吸収表面であって、前記第２の圧電アクチュエータの端に接着され、前記第２の圧電アクチュエータと前記固体スラグの間に配置される第２のエネルギ吸収表面とをさらに備える請求項１に記載の圧電リレー。
6. 前記リレー筐体は、
   前記第１と第２の圧電アクチュエータと、前記第１、および、第２、第３の電気接点パッドへの電気接続を支持する回路基板と、
   キャップ層と、
   前記回路基板と前記キャップ層の間に配置され、中に前記スイッチングチャネルが形成されるスイッチング層とをさらに備える請求項１に記載の圧電リレー。
7. 前記リレー筐体はさらに、
   前記スイッチング層の中に形成される圧力解放通路と、
   前記スイッチングチャネルの端を前記圧力解放通路に接続する第１と第２の圧力解放排出口とをさらに備える請求項６に記載の圧電リレー。
8. 液体金属によって濡れ、スイッチングチャネル内で移動できる固体スラグを有する圧電リレー内の第１の接点パッドと第２の接点パッドの間で電気回路をスイッチングする方法であって、前記方法は、
   前記電気回路を完成させる場合、
   前記固体スラグが前記第１の接点パッドと第２の接点パッドの間の電気回路を完成させる第１の位置に、前記固体スラグを移動させるために、第１の圧電アクチュエータに電圧を印加することと、
   前記電気回路を切断する場合、
   前記固体スラグが前記第１の接点パッドと前記第２の接点パッドの間の電気回路を切断する第２の位置に、前記固体スラグを移動させるために、第２の圧電アクチュエータに電圧を印加することとを具備する方法。
9. 前記第２の圧電アクチュエータに電圧を印加して前記固体スラグを第２の位置に動かすことで、前記第１の接点パッドと第３の接点パッドの間の電気回路を完成させる請求項８に記載の電気回路をスイッチングする方法。
10. 前記第１の圧電アクチュエータに電圧を印加することにより、前記圧電アクチュエータの面が前記固体スラグを押して、圧力解除排出口の開口部と並べ、これによって、前記圧電アクチュエータの面と前記スラグの端の間の真空を解放する請求項８に記載の圧電リレー内で電気回路をスイッチングする方法。

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