磁力致動的印刷膜片開關及其應用
【專利說明】磁力致動的印刷膜片開關及其應用
[0001]相關申請
[0002]本申請主張于2013年3月14日提交的美國臨時申請US61/782，540的優先權，該專利申請通過援引其整體上并入本文。
技術領域
[0003]本發明概括而言涉及膜片開關，而更具體而言涉及由磁力致動的印刷膜片開關。
【背景技術】
[0004]開關典型地是電動或手動控制的雙態裝置，該雙態裝置操作為斷開和閉合電路中的導電元件或接觸件，由此影響電路或電路的至少一部分的操作。例如，一開關通過中斷電流、或使電流從一個導體轉移至另一個導體、或者使得電流沿兩個導體或在兩個導體之間流動而操作為斷開或形成一電路。開關也可提供用于重定向或偏置電路中的電流的一手段，以啟用或禁用電路的另一部分的功能。存在開關的很多類型，例如包括機電設備(如光開關)、簧片(reed)開關、繼電器、閉鎖開關(latching switch)以及膜片開關，這些僅為舉例。
[0005]繼電器是一種通過另一電路來操作的電開關。例如，一些繼電器使用一電磁體或僅在電場存在時產生磁場的一材料，以致動切換機構。繼電器通常結合有線圈，從而當電流通過線圈時，線圈能產生一磁場。繼而，基于所述的結構，磁場致動一鐵基銜鐵(ferrousarmature)，且銜鐵與一固定接觸件建立或斷開連接，以斷開或閉合電路。繼電器通常用于通過使用一低功率信號來控制以高功率運行的一電路。
[0006]—種離散的簧片開關是一種通過一施加的磁場而操作的一電開關。在一種簡單的形式中，一簧片開關例如包括:至少兩個能磁化的柔性金屬簧片，當所述開關斷開時，在各簧片的一端上分離開一小間隙。由一電磁體或永磁體產生的磁場存在時，簧片被迫接觸在一起，由此消除所述間隙并閉合所述開關，以使電路完整。可替代地，簧片接觸，從而所述開關閉合，而一磁場的存在迫使它們分離開，由此斷開開關以切斷或中斷電路。
[0007]—種離散的簧片開關可包括:多個鐵基金屬簧片，典型地氣密地密封在一玻璃套中，以保護所述多個簧片免受大氣腐蝕和/或金屬簧片的氧化，這可減少或負面影響金屬的導電屬性。然而，這些開關在結構上結合到電路中由于它們的尺寸和剛度而在經濟上是不可行的或者是不合適的，由此限制了它們的應用。
[0008]閉鎖開關是一旦被致動就保持其狀態的開關，且僅在第二次致動時返回到其原始狀態。例如，在開關的第一次致動時一電路形成或斷開，而僅在開關的第二次致動時電路斷開或形成。
[0009]在題為“Laminated Relays with Multiple Flexible Contacts (具有多個柔性接觸件的層疊式繼電器)”的美國專利US7，215，229 (下文稱為“’ 229”專利)中描述了一種類型的閉鎖開關。在’ 229專利中，一層疊的電子機械系統(LEMS)開關包括“多個結構層，這包括至少兩個結構層，各結構層包括一柔性元件。所述多個結構層堆疊且對齊成一疊(stack)，以形成至少一個開關。該疊中的各結構層附接于該疊的一相鄰的結構層。當所形成的開關處于一“啟動(on)”狀態時，第一柔性元件接觸第二柔性元件”(摘要)。將第一柔性元件致動到一第一穩定狀態(即所述第一柔性元件接觸所述第二柔性元件)通過一永磁體層(其產生磁場以引起第一柔性元件的磁性材料的磁化)而完成。與第一磁場相反的一第二磁場通過一電磁體或線圈產生，且當通過將電流施加于該線圈而致動時，所述第一柔性元件返回至第二穩定狀態(即所述第一柔性元件不接觸所述第二柔性元件)。
[0010]盡管所述多個層疊層使閉鎖開關更簡單，從而它們可結合到更廣泛的各種應用中，但是由于開關的閉鎖功能，閉鎖開關仍有些復雜，且將它結合到許多應用(包括類似包裝的低成本的物品)中可能是不經濟的。
[0011]—種更簡單的非閉鎖開關結構是膜片開關。膜片開關是一種印刷在一柔性基體(諸如PET或ΙΤ0)上的電開關。膜片開關通常通過施加垂直基體的力而被致動，以即刻斷開或閉合一相應的電路。膜片開關典型地是非閉鎖開關，因為他們暫時斷開或閉合，當力存在時所述電路更常見的是閉合。
[0012]—種膜片開關典型地具有多層。膜片開關的頂層能夠是使用者和機器之間的一圖形界面(例如鍵盤上的鍵)。另一層是一印刷電路。這也可是由銅和聚酰亞胺材料制成的一柔性電路。例如，參照圖1A，一膜片開關10可包括一第一層或基體12，其具有由一間隙16間隔開的一第一導電跡線14a和一第二導電跡線14b。經由一間隔層20與第一基體12間隔開的一第二層或基體18包含或保持一導電跡線22或分流器。參照圖1B，當施加垂直于第一層12和第二層18的力F時，導電分流器22被迫接觸兩個跡線14a、14b中的每一個，以使電路完整。
[0013]因為它們的簡單性和靈活性，制造膜片開關比其它常規開關便宜。然而，膜片開關的常見用途仍然稍限于例如計算機鍵盤、觸摸屏、控制面板等。
[0014]由于印刷電路技術日益增加的靈活性，對于印刷電子產品或電子設備的新的應用已經在考慮。這些應用可例如包括包裝(packaging)、包封(wrapping)、促銷物品、一次性物品、標牌(signage)、服裝等。電子產品可以提供新奇的審美特征或功能特征(諸如視覺特征或聲音特征)給各種物品，以作為一種吸引潛在的客戶或買家來購買這些產品或以其它的方式提高這些產品的價值的手段。電子產品還可提供一種“智能”特征，以在物品上顯示或提供信息(如價格、截止日期、溫度等)。電子產品典型地是經由鈕扣(coin cell)電池或印刷電池來電池供電。
[0015]在包含電子產品的物品的運輸、郵遞和/或儲存期間，希望維持電池供電的電子產品或電路處于關閉或低功率狀態。例如，在包裝結合有電子產品的情況下，運輸和/或儲存需要的時間可能比電池的壽命長，從而如果電子產品在整個時間運行的話，它們在到達目的地時將不再能工作或工作的時間不能令人不滿意。這也可能是這種情況，對于安全、加工、處理或其它篩選過程，電子產品的運行可能是破壞性的，且因此不允許電子產品在這些過程期間運行。
[0016]開關結合到電子產品的電路可起到斷電，或保持電子產品處于低功率狀態直到它們被故意致動的功能。然而，常規的開關要么太復雜要么成本太高而不能經濟地或有效地結合到印刷電路中，或者它們可能無法提供正確的功能(例如手動膜片開關)，或者它們可能不會提供一兼容的形式因素(諸如典型地與郵寄物品相關的薄的且柔性的因素)。
[0017]依然需要一種方式來使電池供電的電路維持在一低功率或無功率狀態直到被致動，且能有效地并經濟地結合到物品(諸如包裝、包封、促銷物品、一次性物品、標牌、服裝等)中。
【發明內容】
[0018]本發明克服了許多上述的缺陷，并涉及一種印刷膜片開關，其能由一磁力致動并能有效地且經濟地制造或結合到電路中。
[0019]根據本發明所述的磁力致動膜片開關能夠在無磁場存在的一靜止或未磁化狀態和有磁場存在的(不管是一互斥場還是一相吸場)的一致動或磁化狀態之間轉換。所述膜片開關一般包括第一導電跡線和第二導電跡線，它們能夠在一閉合位置和一斷開位置之間轉換，在閉合位置，所述兩個導電跡線電連接以閉合一電路，而在斷開位置，所述兩個導電跡線電隔離以斷開所述電路。依賴所述開關的結構，所述靜止狀態可對應所述電路的斷開位置或所述電路的閉合位置，而所述致動狀態可對應所述電路的斷開位置或閉合位置中的另一個位置。所述膜片開關還包括一磁性材料，其受一磁場影響(吸引或排斥)，由此，在磁場存在的情況下實現從靜止狀態到致動狀態的切換操作，且當撤除磁場時，返回到靜止狀
??τ ο
[0020]根據一實施例，一磁力致動膜片開關包括印刷在一柔性基體上的一第一平面上且由一間隙間隔開的第一導電跡線和第二導電跡線。經由一間隔層與第一柔性基體間隔開的一第二柔性基體包括或包含一導電分流器。一磁性材料(諸如一鐵磁材料)結合到所述分流器本身、靠近所述分流器印刷和/或結合到所述第一平面。當施加一磁場(諸如存在稀土磁性物質或其它磁體)時，作用于磁性材料上的力引起柔性基體(其上具有磁性材料)從一第一靜止狀態撓曲至一第二狀態。當撤除磁場時，所述柔性基體返回至第一靜止狀態。
[0021]在一實施例中，在靜止狀態，所述膜片開關處于一斷開位置，在斷開位置，所述柔性基體間隔開且電路斷開。施加一磁場引起所述磁性材料被吸向磁體，因此引起柔性層(其上具有磁性材料)撓曲至另一柔性層，從而所述導電分流器橋接兩個導電跡線之間的間隙，由此閉合電路。
[0022]在一替代實施例中，在靜止狀態，所述膜片開關處于一閉合位置，在閉合位置，所述第一柔性基體和所述第二柔性基體接觸且所述導電分流器橋接兩個導電跡線之間的間隙。通過相對于磁性材料來放置磁體，施