JPS58165235A - 磁気離脱止圧電リレー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は磁気もどり主圧電リレーに関するものである
。

圧電ペンダ素子によって駆動される圧電リレーは、スナ
ップ作用すなわち双安定のデバイスを用いて、圧電ベン
ダ素子により供給されるエネルギを蓄積することができ
る。参考として本明細書に組み入れられる１９８０年１
０月２４日出願の米国特許出願第２００，３９０号を参
照されたい。完全駆動電圧が最初に加えられる。十分な
エネルギが蓄えられると作動が生じ、それによってスナ
ップ作用のデ／脅イスは迅速、確実な作動を作る。

ある応用では、完全駆動′１圧は最初に利用できない。

駆動電圧は自動街路灯方式に見られるようなゆっくりと
変化する制御電圧であるが、それでも作動電圧に達する
と迅速、確実な作動を作らなければならない。例えば、
夕夢れおよび夜明けに街路灯を点滅するのに用いられる
リレーは、感光、・：：パ 素子からのゆつく°りと変化す８制御電圧の所定電圧レ
ベルで一貫して作動しなければならない。スイッチング
は、暗黒の状態よりも比較的高レベルの照明で良好に生
じるはずである。、スイッチングは１．接点のガタおよ
びそれによるアークならびに接点の劣化を防ぐために、
迅速かつ確実でなければならない。

圧電ベンダ素子と組み合わせてスナップ作用のデバイス
を使用する試みは、所望の反応を得られなかった。接点
の力は接点が開らく前に０となり、作動行程の一部は接
点が閉じ始めると早まった運動で費される。スナップ作
用のデバイスまたはオーバーセンタばねデバイスの機械
的もどり止作用は不適当である。すなわちそれは利用で
きる接点行程に関して著しい運動量を生じる。圧電デバ
イスは極めてわずかな運動しか作らず、接触子リレーの
振れではなく熱膨張によって作られる運動を上回る程度
の運動、しか作らない。これは、実用的な再現可能の圧
−、リレーを作る問題を一段と困難にする。　　　　、
、。

Ｃ′１ したがってこの発１明の１つの目的は、電気接点を確実
に開閉する迅速、明確な作用を与える改良形圧電リレー
を提供することである。

この発明のもう１つの目的は、高価またはＩＩ雑な機械
装置を必要としない改良形もどり正味を利用す−るかか
る改良形圧電リレーを提供することである。

この発明のもう１つの目的は、磁気もどり止を使用する
かかる改良形圧電リレーを提供することである。

この発明のもう１つの目的は、磁気もどり止作用の保持
力、力傾度およびギャップ長さが厳密に制御されるかか
る改良形圧電リレーを提供することである。

本発明は、鋭いスイッチング作用を持つ真に有効な圧゛
屯すレーが所定のスイッチング力のレベルに達するまで
接点の運動を制止する磁気もどり止を使用することによ
って達成され、さらにもどり止作用が向き合う極面に関
して減少した面の面積を持つ先細極部材を用いて厳密に
制御されることの実現に起因する。

本発明は磁気もどり主圧電リレーを特徴とする。

それは固定部分および可動部分を持つ圧電ペンダ素子を
備えている。ベンダ素子を偏向せる作動電圧を供給する
装置がある。第１接点装置は可動部分の上に置かれ；ｌ
！２固定接点装置はベンダ素子から遠く謂れかつ第１接
点装置の近くにあって、ベンダ素子の偏向に応じ第１接
点装置と共に選択結合する。磁気回路装置は可動部分の
上の磁石、第１固定極部材、および第２極部材を有し、
ベンダ素子の偏向力が磁気回路の保持力を越えるまで可
動部分を第１極部材に磁気固定する。

好適な実施例において、極部材の１つはその面に向って
会合するように先細にされ；先細極部材の極面の面積は
他の極部材のそれに比べて減少されている。極部材の少
なくとも１つは他に近づいたり遠ざかるように動くこと
ができ、それらの間のイヤツブを調節する。第３固定部
材を第１極部材から隔離させて、それらの間に可動部分
を備えることができる。第１および第３極部材は、それ
らの位置を可動部分に対して１１＃するように一緒に移
動し得る。第１および第２極部材は第１接点装置に含め
ることができ、また第２ｍ点装置は第１極部材と共に取
り付けられかつ磁気材料を含むことがある。磁石は永久
磁石でも電磁石でもよい。

作動電圧を供給する装置は電極装置を含むことがあり、
さらに電圧源を含むことがある。

第１接点装置は、第２接点装置に向き合う側の可動部分
の第１接点部材と、可動部分の度対側の第２接点部材と
、ベンダ素子から遠く離れかつ第２接点装置の近くにあ
ってそれと共に選択結合する第３接点装置とを含むこと
がある。

他の目的、特徴および利点は好適実施例の下記説明なら
びに付図から見出されると思う。

第１図には、プラスチック・レール１４および取付はブ
ロック１６を含むフレーム１２を備えている本発明によ
る圧電リレー１０が示されている。

鉄柵板１８および２０はレー゛ル１４の−゛端に取り付
けられ、それらの間の永久１′磁石２２によって相□ 互に隔離されている。極板１層８は、極板１８に電、′
・ 気接続されかつ電極２６を通じて外部接続される同定接
点２４を取り付けている。圧電ベンダ３゜には、圧電板
３４および３６の間にはさまれた金属プレート３２があ
る。ベンダ３ｏは、図示のような２枚の圧電板ではなく
１枚だけでもよい。非対称モノラムとしても知られるこ
のようなベンダは、一般に、一方向にのみ偏向を作るの
に用いられる。ベンダ３０の固定部分３８は、取付はブ
ロック１６の中に取り付けられている。ベンダ素子３０
の可動部分４０は、極板１８の固定接点２４の近くに可
動接点を取り付けている。接点２４は金属板３２に電気
接続され、電極４４を通して外部接続される。駆動電圧
は、圧電部材３４および３６に接続される電極４６なら
びに４８を通してベンダ素子３０に加えられる。接点２
４および４２は、鉄またはニッケルのような磁気材を含
んだり、それによって完全に構成されることがある。

素子５０も、極板２ｏに対する吸引力を強めるために磁
気材料で作られることがある。磁気回路２１は、永久磁
石、２２から、極板１８．２０．ヤヤツゾ２３、接点□
２４．４２、および素子５ｏにわたっている。

圧電板３４および３６は長さ３．１７５ｃ＋ｍ（１，２
５ｉｎ　）輻０，１２７Ｃ１ｌ（０，０５０１ｎ　）、
厚さ０．０２５ＣＩｍ（０，０１０ｉｎ）であり、チタ
ン酸鉛およびジルコン酸鉛のような圧電材料で作られる
。

接点４２および２４は直径０．６３５ｅｌｌ　（０，２
５ｉｎ）の固体またはめつき鉄の接点であることができ
る。

永久磁石２２は極板１Ｂ、２０と移動素子５０゜４２と
の間の０．０３８ＣＩＩ（０，０１５ｉｎ　）のザヤツ
ゾに磁界の強さを与え、これは接点開位置の極板２０と
素子５０との間または閉位置の接点４２と２４との間に
約５０　ｇｒの保持力を与える。この磁気もどり止に打
ち勝つには、電極４６および４８に加えるべき所要電圧
は１５０ｖである。圧電ベンダ素子はその分野において
、ベンダ、バイモーフ、−リーモ−７、およびパイラム
、ならびにもつと一般的にベンダ、ベンダ素子またはペ
ンド素子などとして知られている。本明細書では２個の
圧電素子の間にはさまれた単一金属ブレードを用いるベ
ンダ素子が示されているが、これは本発明に必要な制限
ではなく、モノラム、単一、１１１層または多重層も使
用される。１９８１年１月５日出願の米国特許出願筒２
２２．６４９号、１９８１年６月４日出願の米国特許出
願筒２７０．５７０号、および１９８１年９月８日出願
の米国特許出願筒３００，０２５号参照。

リレー１０の鋭い動作は第２図に示されており、すなわ
ち電圧の初度印加は、例えば１５０ｖの所定電圧に達し
てその点で５０　ｇｒの磁気もどり止の力が突然すっか
り弱るまで可動接点の偏向を作らず、また接点は磁気も
どり止保持力にほぼ等しい力でばちんと閉じられる。こ
れは、接点４２と２４との間の０．０３８０ＩＩイヤツ
ゾの全範囲を通して可動部分４０を掃引する。

第１図の実施例は磁気回路内に置かれかつ一部または全
体として磁気材料を有する電気接点を示すが、これは本
発明の制限ではない。例えば第６図の接点４２ａおよび
２４＆は磁−気潰−科ではない。

接点４２＆は、金属プレード３２ａを通って外部電極４
４＆に電気接続されている。接点２４＆は支持部材６１
の上に置かれ、それを通って電極２６龜に電気接続され
ている。ヤヤッゾ２３ａには、磁気材料の別な極部材、
すなわち素子６２が置かれており、これは磁界の影響を
受けて、第３図に示されるとおり金属板３２１１１を極
２Ｇ＆に開位置で固定させかつ素子６２を極１８−に閉
位置で固定させるのを助ける。別の追加極部材すなわち
極片が極板１８，２０に追加されたり、板自体が極部材
として働くことがある。素子６２がない場合、プレード
３２ａの局部区域は自ら極部材として働くであろう。素
子６２は仮想の６２−で示されるとおり、金属プレード
３２＆の反対側にも置かれ、またはかかる素子は金属プ
レード３２＆の両側に置かれることがある。このように
、磁気もどり回路および制御される電気回路は分離する
ことができる。レール１４は、第６図から第６図までに
は明確のため省略されている。電極４６および４８のほ
かに、作動電圧を加える装置は例えば第２図に示される
ような所要電圧を供給するスイッチング電圧源６４の形
で票されている。

磁気回路を駆動する磁石は永久磁石に制限されない。そ
れは、巻線７２によって囲まれかつ電池Ｔ４によって励
磁される軟鉄心７０を含む第４図に示されるような電磁
石２２ｂでもよい。例えば可変抵抗器７５によってコイ
ル７２の電流を調節すると、スイッチング作用を生じる
電圧を調節することが可能である。所要電流の量を減ら
すために、永久磁石と電磁石との組合せを使用すること
も可能である。１１！４図は、接点２４ｂおよび４２ｂ
が第２組の接点２４　ｂｂならびに４２　ｂｂによって
補われる双投スイッチ構造をも示す。

ある構造において、必要かつ該当の場合、唯一の極板２
０Ｃ（第５図）が残るように極板の１つが省略されたり
、磁石２２ｄ（第６図）が極となるように両独立極板が
省略されることがある。

磁気もどり止の一段と精密な制御はリレー１Ｑｅ（第７
図）によって行われる。前の瞳面とは対照的に、７レー
ム１？・はレール１４・およびデロツ・−１６・と共←
、一体構造に作られており、それぞれ支持１０４．！；
′・１１ｅの上に置かれる接点４２・と２４・、および
それぞれ支持１０４・と６１−・の上に置かれる接点４
２　ｅ＠　（見られない）と２４−・（見られない）、
の２組の接点がある。金　　　−翼板３２・は、磁気回
路２１ｅの作動を強める標準の磁気シム・ストックであ
る。まず、２個の凹所１Ｇ６．１０８がフレーム１２ａ
にあり、これらは極板１８・および２０ｅの延長部１１
０ならびに１１２（見られない）をそれぞれ受けて、ね
じ１１８により板３２ｅの端に関する極板１８・および
２０・ならびに極部材すなわち極片１１４．１１６の位
置調節を与える。すなわち極部材１１４．１１６の間の
ヤヤツゾは板３２・に間して移動される。

第２に、極部材１１４．１１６の少なくとも１つはそれ
らと板３２ｅの上の極部材との間のギャップ２３ｅの長
さを変えるように別個に調呻回部である。磁気作用の保
持力は磁気抵抗の関数でありかつ磁気抵抗はヤヤツゾの
長さで割った極部材の力面積に比例するので、極部材１
１４．１１６を調節することによるヤヤップ長さ制御の
能力は、保持力を上回る制御の量を与える。極部材１１
４．１１６がおのおのドライバのプレードを受けるスロ
ット１２０と、それぞれの極板１８・、２０・にあるね
じ山１２４とかみ合うねじ山１２２とを備える調節可能
な構造物が第８図に示されている。

板３２０′の移動端には極部材１１４．１１６と向き合
ってその上に置かれる特定の極部材があったり、板３２
・自体が極部材１１４，１１６と向き合う極部材として
働くことがある。また第８図に示されている調節ねじ１
１８のねじ山１１９はフレーム１２−のねじ山１２１と
かみ合い、また調節ねじ１１８の端は極板１８ｅのリン
グ１２３にジャーナル付けされている。

第３に、各極片１１４．１１６（第７図および第８図）
は例えば円錐断面の先細部１２６と、減少した面積の極
面１２８とを備えている。極面１２８の減少した面積は
、在来の向き合う平面よりも大きな磁気保持力を作る。

さらに、先細部１２６は改良された力傾度を与え、磁気
吸引される板３２ｅと極部材との間の距離が増すにつれ
て保持力の急速な減衰を保証する。これは第９Ａ図およ
び第９Ｂ図に示されており、すなわち在来の平らな向き
合う極部材ＰｌｅＰ２　　において距離Ｘと共にカーが
むしろゆるかに減少するのが第９Ａ図の特性面ＩＩＩ　
３０によって示され、また平らな極部材すなわち極片Ｐ
４に向き合う先細の極部材Ｐ３によって与えられる一段
と望ましい鋭い降下は第９Ｂ図の特性面１１１３２によ
って示されている。

力傾度、保持力およびギャップの長さと位置を増加する
これらの小さな、追加のチューニング特徴は、出食う圧
電作用および標準の力と距離の背景を理解するときに最
も大切である。圧電装置では、運動は熱膨張のオーダで
、接触子のスイングより大きいが、出願人はこれらの距
離および力が極めて小さいが、それらはパラメータのす
べてが本発明の新しい構造で知られ、理解され、そして
明らかにされるならば、★用的な量産可能のリレ：１ニ ーを作るように働かされることを発見した。

他の実施例が当業者に〆つで生じると思われるが、それ
は特許請求の範囲内である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による圧電リレーの原理図、第２図は第
１図のリレーの印加電圧に関する偏向特性図、＃１６図
は電気接点が磁気回路から分離されている概略平面図、
第４図は電磁石を利用する本発明による双極双投圧電リ
レーの概略平面図、第５図はリレー接点の近くに１個の
磁極を利用する本発明による圧電リレーの一部の端面図
、第６図は追加の極構造物なしにリレー接点の１つのす
ぐそばに磁石が置かれる第５図に似た図、第７図は本発
明による先細極部材を持つ圧電リレーの原理図、第８図
は改良された先細の調節可能な極部材を利用する本発明
による圧電リレーの端面図、第９Ａ図および第９Ｂ図は
それぞれ在来の磁極用および本発明の先細磁極部材用の
力対距離の特性曲線を表す図である。 付号の説明　、錠 １０・・・圧電りル−；１２・・・フレーム；１４・・
・レール；１６・・・取付デ四ツク；１８．２０・・・
極板：２２・・・磁石；３８・・・固定部分；４０・・
・可動部分；６４・・・電圧源；２１・・・磁気回路；
２４，４２・・・接点：２３・・・イヤツゾ；４６，４
Ｂ・・・電極。 図面の浄書（内存に変更なし） ０ Ｊｉ、ｇ　２ 色１ ．７Ｅす４ ５秒５　　　　　　Ｊｉｍ　６ 、、： ＦＩＧ　７ Ｆ／θ　θ ＦＩＧ　９４　　　　　　　　　　　ＦＩＧ　　９月手
続補正書（自船 昭和５８年２　月２３日 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和５８年特許願第　２１２３　　号 ２、発明の名称 磁気もどり止圧電リレー ３、補１Ｆをする者 事件との関係　特許出願人 住　　所 氏　名　　ピエゾ　エレクトリック　ゾ胃ダクツ。 （名　称）　　インコーメレーテツＦ ４、代理人 ５、補正命令の日付 昭和　　年　　月　　日 ６、補１Ｆにより増加する発明の数 ７、補正の対象 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示 昭和　５８　年特許願第　　２１２３　　　　号２、発
明の名称 藤￥Ｇ４）ピ゛９よ仄ｅ〕ルー ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住 丘 （名 一理人 ハ ５、補正命令の日付 昭和５８年　４月　２６日 ６、補正により増加する発明の数 一１正の対象 射面の浄ａ＜内容に友更なし） １正の内容　　別紙のとおり

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　下記により構成される磁気もどり止圧電リレ
   ーニー　固定部分および可動部分を持つ圧電ベンダ素子
   ；前記ベンダ素子を偏向させる作動電圧を供給する装ｗ
   ： 前記可動部分の上に置かれる第１接点装置および前記ベ
   ンダ素子から遠く離れかつ前記第１接点装置の近くにあ
   って前記ベンダ素子の偏向に応じて前記第１接点装置と
   選択結合する第２固定接点装置：ならびに 前記可動部分に磁石、樋装置、および磁気装置を含み、
   前記ベンダ素子の偏向力が前記磁気回路の保持力を越え
   るまで前記可動部分を前記樋装置に磁気固定させる磁気
   回路装置。 （２）前記第１および第２の接点装−が前記磁気回路内
   にあることを特徴とする１１１１紀特ＷｆｉＦｉｌｌ求
   の範囲第（１）項記載の王冠リレー。 （３）前記磁気装置が前記第１接点装置に含まれること
   を特徴とする特許 の圧電リレー。 （４）前記第２接点装置が前記樋装置の上に置かれるこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲第（２）項記載の圧
   電リレー。 （６）前記第２接点装置が磁気材料を含むことを特徴と
   する前記特許請求の範囲第（４）項記載の圧電リレー。 （６）　　前記磁石が永久磁石を含むことを特徴とする
   前記特許請求の範囲第（１）項記載の圧電リレー。 （γ）前記磁石が電磁石を含むことを特徴とする前記特
   許請求の範囲第（１）項記載の圧電リレー。 （８）　　前記磁石がさらに前記電磁石の電流を変えて
   前記ベンダ素子を作動させる電圧を制御する装置を含む
   ことを特徴とする前記特許請求の範囲第（フ）項記載の
   圧電リレー。 （９）　　作動電圧を供給する前記装置が電極装置を含
   むことを特徴とする前記特許請求の範囲第（１）項記載
   の圧電リレー。 に）作動電圧を供給する前記装置がさらに電圧源を含む
   ことを特徴とする特許 項記載の圧電リレー。 （ロ）前記特許請求の範囲第（１）項記載の圧電リレー
   において、前記第１接点装置が前記第２接点装置と向き
   合う側の前記可動部分の第１接点部材と、前記可動部分
   の反対側の第２接点部材と、前記ペンタ素子から遠く離
   れかつ前記第２接点部材の近くにあって共に選択結合す
   る第３接点部材とを含むことを特徴とする前記圧電リレ
   ー。 （ロ）前記樋装置が前記磁気装置の近くにある前記可動
   部分の片側の極部材を含むことを特徴とする前記特許請
   求の範囲第（１）項記載の圧電リレー。 （ロ）　前記樋装置が前記磁気装装置を支える前記可動
   部分を空間に受ける１対の隔離された極部材を含むこと
   を特徴とする前記特許請求の範囲第（１）項記載の圧電
   リレー。　　　　・、、・′１、（ロ）　下記により構
   成される磁気もどり主圧電リレー：固定部分および可動
   部分を持つ圧電ベンダ素子；前記ペンダ素子を偏向させ
   る作動電圧を供給す前記可動部分の上に置かれる第１接
   点装置および前記ペンダ素子から遠く離れかつ前記第１
   接点装置の近くにあって前記ペンダ素子の偏向に応じて
   前記第１接点装置と共に選択結合する第２固定接点装置
   であり、前記第１接点装置は前記第２接点装置に向き合
   う側の前記可動部分の第１接点部材と、前記可動部分の
   反対側の第２接点部材と、前記ペンダ素子から遠く離れ
   かつ前記第２接点部材の近くにあって共に選択結合する
   第３接点装置とを含む前記第１接点装置および第２接点
   装置；ならびに 前記可動部分に磁石、樋装置、および磁気装置を含み、
   前記ペンダ素子の偏向力が磁気回路の保持力を越えるま
   ．で、前記可動部分を前記樋装置に磁気固定する前榊磁
   気回路。 （ニ）　下記ゝ１り一成さ０る磁気もどり止め圧’ｌ’
   Ｊレー： 固定部分および可動部を持つ圧電ベンダ素子：前記ペン
   ダ素子を偏向させる作動電圧を供給する装置； 磁気回路にある前記可動部分の上に置かれる磁石、樋装
   置、および第１磁気接点装置、ならびに前記磁気回路に
   ある前記樋装置の上に置かれ前記ペンダ素子の偏向に応
   じて前記第１接点装置と共蔽選択結合する第２磁気接点
   装置を含む磁気回路装置であり、前記接点は前記ペンダ
   素子の偏向力が前記磁気回路の保持力を越えるまで相互
   に磁気結合する前記磁気回路装置。 （ロ）下記により構成される磁気もどり主圧電リレー： 固定部分および可動部分を持つ圧電ベンダ素子；前記ペ
   ンダ素子を偏向させる作動電圧を供給する装置； 前記可動部分の上に置かれる第１接点装置および前記ペ
   ンダ素子から遠く離れかつ前記第１接点装置の近くにあ
   って前記ペンダ素子の偏向に応じて共に選択結合する第
   ２固定接点装置；ならびに前記可動部分の磁石；第１固
   定極部材；および　　；第２極部材を含み、前記ペンダ
   素子の偏向力が磁気回路の保持力を越えるまで前記可動
   部分を前記第１固定極部材に磁気結合する磁気回路装置
   であり、前記極部材の１つはその面に向って会合するよ
   うに先細にされる前記磁気回路装置。 （ロ）会合する先細を持つ前記極部材の面の面積が他の
   極部材の面の面積よりも小さいことを特徴とする前記特
   許請求の範囲第一）項記載の圧電リレー。 （至）前記特許請求の範囲第（ニ）項記載の圧電リレー
   において、前記磁気回路は前記第１極部材から隔離され
   た第３固定極部材を含みそれらの間に前記可動部分を有
   し、また前記第１極部材と第３極部材は第１極部材と第
   ２極部材の位置を前記可動部分に対して調節するように
   一緒に運動し得る、ことを特徴とする前記圧電リレー。 （ロ）前記極部材の少なくとも１つは他に近づいたり遠
   ざかって、それらの間のイヤツゾの長さを調節し得る、
   ことを特徴とする前記特許請求の範囲第（ロ）項記載の
   圧電リレー。