JPS5812692B2 - スイツチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、電気回路を閉じたり開いたりするための機
械的スイッチに関する。

このスイッチは、任意の所望期間中閉位置にセットされ
、次いで開位置にセットされることができる。

更に具体的には、この発明は電気回路における電流の流
れを制御するためのガス作動の導電性流体スイッチ装置
に関する。

ガスによって作動される導電性流体スイッチ装置は、長
年に亘って知られている。

これ等の装置は種々の形をとっているが、いずれも、通
常は毛細管を含んでおり、この毛細管は、毛細管の直径
よりもかなり大きい直径を有する１つ又はそれ以上のカ
ス充満バルプに結合されている。

ガス充満バルプ内のカスは加熱されると、毛細管の一端
からの圧力が一般には水銀である導電性流体を毛細管の
他端に押しやる。

米国特許第３１０４２７号は、１つの水銀小球を含み、
内部においてプラチナで作ることのできる２本の針金が
終端をなした毛細管路によって結合されている１対の室
部分を有する閉じたガラスを含む電気スイッチを開示し
ている。

熱を発生する電流が、室の中のガスを膨張させ、水銀小
球を毛細管路を通して付勢し、スイッチの作動を制御す
る。

熱は、室の内又は外の電気回路によって発生することが
できる。

米国特許第１５９８８７４号は、内部において電極がシ
ールされている密閉容器から成り、この容器内に同様に
含まれている極めて純粋な水銀体の作用により、電極が
適当な時々にお互いに電気的に導電関係をもたらすよう
になっているスイッチを開示している。

この容器は、窒素、ヘリウム又は水素のような不活性ガ
スによって充満することができる。

電極は鉄族、例えば鉄、ニッケル、タングステンから作
ることができる。

米国特許第２０１２４９１号は、水銀を含む管状部分に
よって連結されている水素の充満した１対の室部分から
成るスイッチを開示している。

発熱素子が、各室部分内に配置されている。このスイッ
チは、２つの発熱素子の内のいずれにエネルギーが与え
られ関連した室部分内のガスが膨張されるかによって、
選択的に第１又は第２の接触子を水銀内に浸すことによ
り、ラッチとして作動する。

米国特許第２６６６１０５号は、２つのガス充満部分の
間に結合された１つの毛細管より成るスイッチを開示し
ている。

管の内には、１つの水銀小球と、その水銀によって接続
可能の１対の針金がある。

２つの室部分のいずれかにおいて発生された熱は、スイ
ッチを交互に開いたり閉じたりする。

このスイッチの１つの実施例においては、円筒形の長く
延びた金属球が、毛細管にとり付けられ、前記金属を水
銀から保護するために用いられる球状の拡大した１対の
開口を通じて毛細管とつながっている。

米国特許第３１０２１７９号は、毛細管と水銀小球とか
ら成り、１対のストッパーが毛細管の反対の端部内に配
置され、ガスは水銀へ通すが、水銀は管より流れ出さな
いようになっているスイッチを開示している。

電線とガラスの糸がストツパの実施例として示唆されて
いる。

米国特許第３１７６１０１号は、ガスで充満された２つ
の球形の室部分の間に結合されている１つの毛細管より
成るスイッチを開示している。

この管の内には、１つの水銀小球と、水銀によって接続
可能の１対の電線がある。

室部分の各々には、その内部に含まれたガスを膨張させ
て水銀を動かすための電気手段が設けられている。

そこに示された発熱手段は、発熱フィラメントと発熱コ
イルを含んでいる。

米国特許第３６３２９４１号は、ほゞ一様な横断面を有
する空胴内を動くことのできる水銀小球より成り、１対
の針金の端部を選択的に接続するスイッチを開示してい
る。

１対の針金の端部を選択的に接続するには、第１と第２
の圧力源より、水銀小球の反対の端部に交互に流体圧力
を加えることにより行なう。

水銀が圧力源に入らないようにするため、水銀の高い表
面張力を利用する手段が、水銀の動く室と圧力源との間
に設けられている。

従来技術の導電性液体又は流体スイッチは、その意図し
た用途に対しては満足な動作をするが、しかし一般には
高価であり、かさばり、遅く、衝撃、温度、位置に感じ
易い。

この発明の目的の１つは、ラッチ特性を有する改良され
たガス作動のスイッチを提供することである。

この発明の他の目的は、双安定性である改良された低価
格のスイッチを提供することである。

この発明の他の目的は、知られているガス作動のスイッ
チより、実質的により早い速度で開閉する極く小さいガ
ス作動のスイッチを提供することである。

更に、この発明の他の目的は、各端部が閉じた１つの単
一毛細管を用いることによって、低価格のスイッチを提
供することである。

更に、この発明の他の目的は、実質的に衝撃に感じない
早い速度の導電性流体スイッチ装置を提供することであ
る。

この発明のこれ等の及び他の目的は、閉じた端部を有す
る１つの単一毛細管を含むガス作動形スイッチを作るこ
とによって達成される。

閉じた管の中には、１つの水銀小球のような導電性液体
により第１と第２の室に分離された非酸化性ガスがある
。

１対の電線又は電気接点が、次のように配置されている
。

すなわち、水銀が第１の位置にあるときは、１対の電線
は水銀によって同時に接触され、一方、水銀が第２の位
置にあるときは、一方の電線が水銀に接触するか、又は
いずれの電線も水銀に接触しないようになっている。

第１と第２の室内のガスをそれぞれ加熱するため、毛細
管に直接接触して配置されている第１と第２の加熱手段
には、水銀を第１か第２のいすれかの位置に押しやるよ
うに各々エネルギーが加えられる。

管のいずれかの端部から水銀小球に強い力が加えられる
ことにより水銀が複数の小球に分離するのを防ぐために
、水銀の流れには作用するがガスの流れには作用しない
、適当なカラーのような障壁が第１と第２の室の各々の
中に配置されている。

図面を参照して、更に詳細に説明する。

第１図と第２図に、この発明に係るスイッチの１つの実
施例が示されている。

なお、第２図は第１図の拡大図である。

この実施例は、ガラスで作られるのが望ましい１つの単
一の毛細管１０、純粋な水銀１６が望ましい導電性液体
の１つの小球と共に管１０の中に各々配置されている第
１と第２の一線に並んだ導体１２，１４と、非酸化性ガ
ス１８を含んでいる。

毛細管１０は、その両端部２０と２２とを各々導体１２
，１４の囲りに押しつぶすことにより、この両端部２０
，２２において密封されている。

水銀１６は、密封された毛細管１０を第１の室２４と、
この第１の室２４と実質的に同じ体積を有する第２の室
２６とに分割している。

導体１２，１４の端部２８，３０は、各々密封された毛
細管１０の中に配置され、互いに一定間隔離されて、水
銀１６の小球において、あるいはその近くで終端となっ
ている。

水銀１６の小球の大きさは、この導体の各端部２８，３
０に同時に接触するように位置することのできる大きさ
になっている。

第１の障壁又はカラー３２が第１の導体１２をその端部
２８の近くでとり囲んでいる。

第２の障壁又はカラー３４が第２の電導体１４をその端
部３０の近くでとり囲んでいる。

これらカラー３２，３４は、ガラス又は水銀によってぬ
れない他の物質でできているのが望ましく、導体１２，
１４にとり付けられてもよく、その直径は、この障壁３
２ ，３４と毛細管１０の内面との間の間隔が０．０２
５ｍｍ以下、好ましくは約０．００５ｍｍになるように
なっている。

導体１２，１４、特にその端部２８，３０は、ニッケル
のような水銀にぬれない物質よりできている。

ガス１８は、窒素、水素又はフレオンが望ましい。

管１０の端部２０，２２において密封したシールを設け
るために、導体１２，１４はガラス管の端部２０，２２
の近くで部分的に酸化され、ガラス管の端部２０，２２
が加熱され、酸化された導体部分の上におしつぶされる
。

第１と第２の加熱手段、例えば、ニクロム又は銅で作ら
れた加熱コイル３６，３８は、各各第１と第２の室２４
，２６を囲んでいる管１０の外側表面に直接接触して配
置されている。

この発明のスイッチの構造を上述したように、及び図面
の第１図、第２図で図示したように形成することによっ
て、非常に小型のスイッチが作成される。

満足に作動する１つのスイッチは、管の外側直径が約０
．３３ｍｍ、内側直径が約０．１８ｍｍ及び長さが約１
６．４ｍｍであった。

管１０の各端部におけるシールの長さは約０．３３ｍｍ
、そして導体１２と１４の厚さは約０．１ｍｍであった
。

水銀の寸法は約０．１８×０．３５ｍｍである。

スイッチの作動に当っては、任意の便宜の電源よりの電
流が、スイッチをリセット又は開の位置におくために加
熱コイル３８を通して送られる。

第２図に更に明瞭に示すように、スイッチがリセット又
は開の位置にあるとき、水銀１６は導体１２の端部２８
と接触するが、導体１４の端部３０とは接触しない。

従って、導体１２，１４の間に電圧が印加されたとき、
ステッチを通って電流は流れない。

スイッチをセット又は閉の位置におくために、任意の便
宜の電源よりの電流がコイル３６を通して流される。

スイッチがセット又は閉の位置にあるとき、水銀１６は
導体の端部２８，３０に同時に接触する。

端部２０から端部２２まで毛細管として一様な直径を有
する管１０は、作るのに容易なばかりでなく、室２４，
２６内のガスに大きな加熱表面を与え、一方、コイル３
６，３８の電流が遮断されたあと急速に冷却することに
注目しなければならない。

ガス作動スイッチの高速度の反復するスイッチ動作は、
室２４．２６内のガスの速い熱応答を必要とする。

従って、この配置は水銀の自由端の間に充分な圧力差を
生せしめ、それによりスイッチ動作の速度と動作とを高
揚する。

又、スイッチ全体に亘って、一様な毛細管の直径を利用
することにより、高価な製造工程にたよることなしに管
１０の壁を薄く、例えば、約０．０８ｍｍ又はそれ以下
に作ることができるということにも注目すべきである。

管１０の薄い壁は、コイル３６又は３８からそれに対応
する室へ熱を迅速に伝達し、ガスを膨張せしめ水銀１６
を他の室に向けて駆動させる。

他の室は、非蕾に薄く延伸しているので、その温度とそ
こに含まれるガスの温度は、その加熱手段にエネルギー
が与えられないとき、実質的に周囲の温度に保たれる。

このスイッチは、非常に早い速度、例えば、２５ミリ秒
より少ない応答時間で作動するよう設計されているから
、熱ショック、例えば１０ミリ秒時間より少ない熱パル
スをこの時間内にミリワット秒の必要なエネルギーが供
給されるときに、使用することができる。

水銀１６の小球が、単一の小球としての完全な状態を保
つために、カラー３２，３４は、導体１２，１４の端部
２８，３０の近くの水銀の往復通路に隣接して配置され
る。

カラー３２，３４は、これらカラーにおげる導体１２，
１４と同様、ぬれない表面を持っていなければならない
。

機械的衝撃によって生じることのできる水銀ピストンの
変位又はより小さな小球は、従って、カラーによって拘
束される体積内に閉じこめられる。

従って、小さな小球は、それ等が閉じこめられるという
ことによって、小球の間のお互いの接触の確率が高めら
れるので、存在することができない。

小球のお互いの間の接触は、より小さな小球がより大き
い単位によって瞬時に吸収されるということの原因にな
るであろう。

第３図は、この発明のスイッチの他の実施例を図示する
。

スイッチのこの実施例は、第２図に示されているスイッ
チの図と同様、拡大図として第３図に示されている。

そして、第２図のスイッチの同様の素子は、同様の参照
番号で示されている。

第３図のスイッチは、室２４，２６の加熱手段が各々、
フイルム３６′，３８′の形になっている点において、
第２図のスイッチと異なる。

電流供給端子４０，４２が、抵抗フイルム３６′のため
に設けられており、電流供給端子４４，４６が抵抗フイ
ルム３８′のために設けられている。

これ等フイルム３６′，３８′は、管１０の上に塗付、
噴霧又は蒸着された炭素とガラスより作ることができる
。

第３図のスイッチは、又障壁又はカラー３２′，３４′
が、各々、導体１２，１４と一体部分として設けられて
いる点において、第２図のスイッチと異なる。

これらのカラー３２′，３４′は、又、カラー３２′，
３４′と管１０の内側表面の間の間隔が約０．０２５ｍ
ｍより小さく、水銀がそこを通過するのを阻止し、一方
、不活性ガス１８の通過は許容するようになっている。

導体１２，１４は、ニッケルのようなぬれない物質によ
って作られているから、クローム層４８，５０のような
ぬれない物質による被覆が、障壁又はカラー３２′，３
４′の各々の上に施されている。

第３図に示されているように、導体１２の端部２８には
、導体１４の端部３０の垂直面と同様にクロームはない
。

第３図のスイッチは、第２図のスイッチに関連して説明
されていると同様な方法で作動する。

第４図は、毛細管１０の内径が減少するようにつれて、
水銀１６の小球を動かすのに必要な力が変化する様子を
示すグラフである。

グラフの観察から、管の内径の減少につれて、要求され
る力が非直線状に急速に増加することが分る。

このように、毛細管１０内の水銀１６の小球に巻き起さ
れるヒステリシス又は遅延効果は、管の直径の減少と共
に急速に増加する。

第５図は、水銀のフイルムと水銀が粘着している電線又
は導体の外径の間の力の変化を示すグラフである。

粘着力は、電線又は導体の外径と共に直線状に増加する
ことがわかる。

この発明のスイッチは、非常に強いラッチ作用を有する
点に注目すべきである。

というのは、毛細管は、その内側直径が非常に小さく構
成されており、且つ導体１４は、その端部３０において
外径が太きいから、スイッチがセット又は閉の位置にあ
るとき、付加的な力を供給するからである。

第６図と第７図は、第３図の図面に示されているスイッ
チのスイッチング動作で、それが閉じられようとしてい
るときの動作を示している。

このスイッチ動作を開始させるためには、加熱手段３６
′にエネルギーが与えられ、その結果、第１の室２４の
ガスが加熱され膨張する。

膨張されたガスによって発生された力は、カシー３２′
と管１０の内側表面との間に形成された間隙を通じて水
銀１６に伝えられ、水銀１６がピストンのように作動し
て、第６図に示されるように導体１４の端部３０の方へ
移動される。

第７図において、スイッチは導体１６の端部３０と緊密
に接触し閉の位置を示し、一方、水銀１６は、導体１２
の端部２８と接触を保ち続けている。

スイッチが閉になると間もなく、加熱手段３６′へのエ
ネルギーの供給が止り、室２４が長くて薄い構成になっ
ているから、室２４の中のガス１８は急速に冷却し、室
２４内における水銀の自由端における圧力を減少する。

室２４内における圧力のこの急速な減少のため、第２の
室２６の内のガスを膨張する加熱手段３８′を付勢する
ことにより、スイッチは急速にリセット又は開にするこ
とができる。

膨張するガスによって発生された力は、カラー３４′と
管１０の内側表面との間に作られた間隙を通じて水銀１
６の小球に伝えられ、水銀１６の小球が導体１２の端部
２８の方へ移動される。

もし、スイッチの閉を保証するのに充分な全エネルギー
が供給されたならば、スイッチの閉の前に加熱手段への
エネルギーの供給を止めることが許容される。

第８図は、スイッチが開き始めたところを示しており、
第９図は開の位置のスイッチを示している。

水銀１６の小球の主たる部分が、スイッチの開の位置に
戻るときに、僅かの量の水銀５１が導体の端部３０に粘
着している点に注目しなげればならない。

極く僅かの一定の量の水銀が導体１４の端部３０に残つ
てフイルムを作り、そして、このフィルムが水銀１６の
主たる部分との間の非常に好ましいぬれ作用を提供する
ことを発見した。

第１０図は、例えば第１図、第２図、第３図に図示され
ているスイッチを複数個含んだ１枚のカード集合体を示
している。

３２個のスイッチ又は１６組のスイッチが示されている
が、任意のカードに含ませ得るスイッチの数は、希望に
応じてそれより多くても少くてもよい。

極めて小さい寸法と構成からみて、何百のスイッチが単
一のカード内に容易に集合できるようにするために、ス
イッチはカードにソルグーレンロー法又はカイヤボンド
法で付けられるとよい。

カードは、基盤５２と、スイッチが接続されている入力
／出力端子板５４とを含んでいる。

内部に１又はそれ以上のトランジスタを形成することの
できる半導体集積回路チツプ５６が、スイッチの作動を
制御するため、基盤５２の上に配置されている。

第１１図に示されている制御回路を例えば第１０図に示
されているスイッチ５８，６０，６２，６４を制御する
のに用いることができる。

勿論、第１０図のカード集合体内の付加スイッチを第１
１図の制御回路を拡大することによって制御することが
できる。

第１１図の制御回路と共に用いることのできる論理テー
ブルが下記の表に示されている。

第１０図、第１１図及び表から次のことが分る。

表において、１によって示されているパルス、あるいは
Ｏによって示されているアース電位が、第１１図のＸ，
Ｘ′、Ｘ″，Ｙ，Ｙ′端子に適切に印加されるとき、ス
イッチ５８，６０，６２，６４の任意のものが希望のよ
うにセット又はレセットされる。

第１１図においてコイルＳとＲとは示されているように
それぞれスイッチ５８，６０，６２，６４のための３６
′，３８′のような加熱手段を表わす。

トランジスタ６６，６８，７０，７２は第１０図の集積
回路チップ５６に形成されていてもよい。

第１０図のカード集合体内のスイッチの各々又は組は、
電話スイッチ交換にみられるような、どんな電気回路の
制御にも使用できる。

第１２図には、この発明のスイッチの更に他の実施例が
図示されている。

管１０の端部を省略し拡大して示している第１２図のス
イッチにおいては、導電性液体の小球は望ましくはハン
ダ又はインヂューム１６／の小球である。

このスイッチは、小球１６′を液体状態に保つために、
第３の加熱手段７４が設けられている点を除いて、上に
述べたこの発明のスイッチの作動と実質的に同様に作動
する。

ハング又はインヂュームの小球を用いることにより、こ
の発明のスイッチのショック感度に一層の改良がみられ
る。

このスイッチは、半選択又は部分選択駆動ロジックを許
容し、スイッチが例えば大きなクロスバーのような大き
いＸＹ選択を要求する分野に用いられる時の駆動要件を
減じる。

スイッチの作動には、第１２図の加熱手段３６′，７４
，３８′にエネルギーを選択的に付与する必要がある。

もし加熱手段７４にエネルギーが付与されないと、スイ
ッチ動作には変化は生じないし、又もし加熱手段３６′
，７４，３８′に同時にエネルギーが付与されるならば
スイッチ動作に変化は起らないことがわかる。

スイッチをセット又は閉にするのには、加熱手段３６′
，７４のみにエネルギーが付与され、スイッチをリセッ
ト又は開にするには、加熱手段７４，３８′のみにエネ
ルギーが付与される。

第１２図の液体−固体スイッチは、過激なショックに遭
遇するような多くの適用例において用いることができる
点に注目すべきである。

この発明は、ガス１８を膨張させるために加熱コイル又
はフイルムを備えたものとして図示したけれども、この
発明のスイッチのある適用例に対してはレーザ光線から
の輻射エネルギーのような他の加熱手段が、望ましいか
もしれないことを理解すべきである。

更に、加熱手段をガラス毛細管の壁の中に埋め込むこと
ができ、その中に抵抗ガラスとして形成してもよいこと
を埋解すべきである。

又、もし望むならば、加熱手段は室２４，２６の中で毛
細管の長さに沿って毛細管の中に配置してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のガス作動形スイッチの１つの実施
例を拡大して示す図である。 第２図は、第１図に示されているスイッチの１部をとり
除いて、更に一層拡大して示す図である。 第３図は、この発明のスイッチの他の実施例の１部をと
り除いて拡大して示す図である。 第４図は、毛細管の口径の減少に伴うヒステリシスの増
加を示す図である。 第５図は、電線又は導体の外径の増加に伴う水銀フイル
ムと１つの針金又は導体との間の力の増加を示す図であ
る。 第６図は、第３図のスイッチが閉じ始めようとするとき
のスイッチ動作を示す図である。 第７図は、第６図同様のスイッチ動作を示すが、スイッ
チが閉じた位置を示している。 第８図は、閉じたスイッチが開き始めるときのスイッチ
ング動作を示す図である。 第９図は、第８図同様のスイッチング動作を示すが、こ
ゝではスイッチが開いた位置を示している。 第１０図は、この発明のスイッチを複数個含むカード集
合体を示す図である。 第１１図は、第１０図の集合体に示されているスイッチ
に選択的にエネルギーを与えるために用いられる回路図
を示す図である。 第１２図は、第３の加熱手段を伴った固体化する液体を
用いるこの発明のスイッチの他の実施ｆｌ＆示す図であ
る。 １０・・・・・・毛細管、１２，１４・・・・・・第１
と第２の電導体、１６・・・・・・水銀小球、１６’・
・・・・・ハンダ又はインヂューム小球、１８・・・・
・・非酸化性ガス、２０，２２・・・・・・毛細管の両
端、２４，２６・・・・・・第１と第２の室部分、２８
，３０・・・・・・第１と第２の電導体の端部、３２，
３４・・・・・・第１と第２の障壁又はカラー、３６，
３８・・・・・・第１と第２の加熱手段、４０，４２，
４４，４６・・・・・・電流供給端子、４８，５０・・
・・・・ぬれない層によるコーティング、５２・・・・
・・基盤、５４・・・・・・入力／出力端子端、５６・
・・・・・半導体集積回路チップ、５８，６０，６２，
６４・・・・・・スイッチ、６６，６８，７０，７２・
・・・・・トランジスタ、７４・・・・・・第３の加熱
手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 密封された室を形成するように第１及び第２の端部
   が閉じられている毛細管と、上記室内に封入された非酸
   化性ガスと、上記室内に夫々接点が配置されている一対
   の導体と、上記ガスを含む第１及び第２の区画を形成す
   るように上記室内に配置された導電性の液体の小球と、
   該小球の移動を制限するように上記第１及び第２の区画
   内において上記小球の近傍に夫々配置されている第１及
   び第２の障壁手段と、上記第１及び第２の区画内のガス
   を選択的に加熱することによって上記小球と上記一対の
   導体の接点との同時接触及び該同時接触の解除を制御す
   る加熱手段とよりなるスイッチ。