JPS6363094B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は磁気離脱止圧電リレーに関するもの
である。

圧電曲がり素子によつて駆動される圧電リレー
は、スナツプ作用すなわち双安定のデバイスを用
いて、圧電曲がり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10月24日出願の米国特許第
4383195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、それによつてスナツプ作用のデバイス
は迅速、確実な作動を作る。

ある応用では、完全駆動電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
なゆつ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、夕暮れおよび夜明けに
街路灯を点滅するのに用いられるリレーは、感光
素子からのゆつくりと変化する制御電圧の所定電
圧レベルで一貫して作動しなければならない。ス
イツチングは、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。スイツチング
は、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。

圧電曲がり素子と組み合わせてスナツプ作用の
デバイスを使用する試みは、所望の反応を得られ
なかつた。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つ
た運動で費される。スナツ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つて作られる運
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電リレーを作る問題を一段と
困難にする。

したがつてこの発明の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、高価または複雑
な機械装置を必要としない改良形離脱止法を利用
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、磁気離脱止を使
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、磁気離脱止作用
の保持力、力傾度およびギヤツプ長さが厳密に制
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、鋭いスイツチング作用を持つ真に有
効な圧電リレーが所定のスイツチング力のレベル
に達するまで接点の運動を制止する磁気離脱止を
使用することによつて達成され、さらに離脱止作
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。

本発明は磁気離脱止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ベンダ
素子を備えている。曲がり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；第２固定接点装置はベンダ素子
から遠く離れかつ第１接点装置の近くにあつて、
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。磁気回路装置は磁石、第１固定極部
材、および可動部分の上の第２極部材を有し、曲
がり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
に向つ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
のギヤツプを調節する。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調節するように一緒
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２接点装置は第
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、可動部分の反対側の
第２接点部材と、曲がり素子から遠く離れかつ第
２接点装置の近くにあつ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、プラスチツク・レール１４および
取付けブロツク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。鉄極板１８および２０はレール１４の一端に
取り付けられ、それらの間の永久磁石２２によつ
て相互に隔離されている。極板１８は、極板１８
に電気接続されかつ電極２６を通して外部接続さ
れる固定接点２４を取り付けている。圧電曲がり
素子３０には、圧電板３４および３６の間にはさ
まれた金属ブレート３２がある。曲がり素子３０
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。曲がり素子３０の固定部分３
８は、取付けブロツク１６の中に取り付けられて
いる。曲がり素子３０の可動部分４０は、極板１
８の固定接点２４の近くに可動接点４２を取り付
けている。接点４２は金属ブレード３２に電気的
に接続され、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を通して曲がり素子３０
に加えられる。接点２４および４２は、鉄または
ニツケルのような磁気材を含んだり、それによつ
て完全に構成されることがある。素子５０も、極
板２０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、ギヤツプ２３、接点
２４，４２、および素子５０にわたつている。

圧電板３４および３６は長さ3.175cm（1.25in）
幅0.127cm（0.050in）、厚さ0.025cm（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
0.635cm（0.25in）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１８，２
２と移動素子５０，４２との間の0.038cm
（0.015in）のギヤツプ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50grmの保持
力を与える。この磁気離脱止に打ち勝つには、電
極４６および４８に加えるべき所要電圧は150V
である。圧電曲がり素子はその分野において、バ
イモーフ、ポリモーフ、およびバイラム、ならび
にもつと一般的に、曲がり素子またはベンド素子
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
る曲がり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、片側層ま
たは多重層も使用される。1981年１月５日出願の
米国特許第4467236号、1981年６月４日出願の米
国特許第4387318号、および1981年９月８日出願
の米国特許第4362407号を参照されたい。

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50grmの磁気離脱止の
力が突然すつ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
力でぱちんと閉じられる。これは、接点４２と２
４との間の0.038cmギヤツプ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、本発明はこれに限定されない。例えば第３
図の接点４２ａおよび２４ａは磁気材料ではな
い。接点４２ａは、金属ブレード３２ａを通つて
外部電極４４ａに電気的に接続されている。接点
２４ａは支持部材６１の上に置かれ、それを通つ
て電極２６ａに電気的に接続されている。ギヤツ
プ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３２ａを極
２０ａに開位置で固定させかつ素子６２を極１８
ａ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、ブレード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
６２ａで示されるとおり、金属ブレード３２ａの
反対側にも置かれ、またはかかる素子は金属ブレ
ード３２ａの両側に置かれることがある。このよ
うに、磁気離脱止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３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
供給するスイツチング電圧源６４の形で示されて
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によつて囲まれかつ電池
７４によつ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によつてコイル７２の電流を調節
すると、スイツ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。第４図は、接点２４ｂおよび４２
ｂが第２組の接点２４bbならびに４２bbによつ
て補われる双投スイツチ構造をも示す。

ある構造において、必要かつ該当の場合、唯一
の極板２０ｃ（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１０
ｅ（第７図）によつて行われる。前の諸図とは対
照的に、フレーム１２ｅはレール１４ｅおよびブ
ロツク１６ｅと共に一体構造に作られており、そ
れぞれ支持１０４と６１ｅの上に置かれる接点４
２ｅと２４ｅ、およびそれぞれ支持１０４ｅと６
１eeの上に置かれる接点４２ee（見られない）と
２４ee（見られない）、の２組の接点がある。金属
板３２ｅは、磁気回路２１ｅの作動を強める標準
の磁気シム・ストツクである。まず、２個の凹所
１０６，１０８がフレーム１２ａにあり、これら
は極板１８ｅおよび２０ｅの延長部１１０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１８ｅお
よび２０ｅ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１１
４，１１６の間のギヤツプは板３２ｅに関して移
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ヤ
ツプ２３ｅの長さを変えるように別個に調節可能
である。磁気作用の保持力は磁気抵抗の関数であ
りかつ磁気抵抗はギヤツプの長さで割つた極部材
の力面積に比例するので、極部材１１４，１１６
を調節することによるギヤツプ長さ制御の能力
は、保持力を上回る制御の量を与える。極部材１
１４，１１６がおのおのドライバのブレードを受
けるスロツト１２０と、それぞれの極板１８ｅ，
２０ｅにあるねじ山１２４とかみ合うねじ山１２
２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３２ｅの移動端には極部材１１４，１
１６と向き合つてその上に置かれる特定の極部材
があつたり、板３２ｅ自体が極部材１１４，１１
６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１１８のねじ山１
１９はフレーム１２ｅ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にジヤ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１
２８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１２
６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P₁，P₂において距離Ｘと共に
力Ｆがむしろゆるやかに減少するのが第９Ａ図の
特性曲線１３０によつて示され、また平らな極部
材すなわち極片P₄に向き合う先細の極部材P₃に
よつて与えられる一段と望ましい鋭い降下は第９
Ｂ図の特性曲線１３２によつて示されている。

力傾度、保持力およびギヤツプの長さと位置を
増加するこれらの小さな、追加のチユーニング特
徴は、出会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、実用的な量産可能のリレ
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よつて生じると思われる
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、第３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 １０…圧電リレー；１２…フレー
ム；１４…レール；１６…取付ブロツク；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；２
４，４２…接点；２３…ギヤツプ；４６，４８…
電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固定部分および可動部分を持つ圧電曲がり素
   子、 前記圧電曲がり素子を片寄せるための作動電圧
   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
   び前記圧電曲がり素子から遠く離れかつ前記第１
   接点装置の近くにあつて前記圧電曲がり素子の偏
   向に応じて前記第１接点装置と選択的に接触する
   第２固定接点装置、ならびに 前記第１接点装置と前記第２固定接点装置との
   離脱止めをする磁気回路装置であつて、磁石、磁
   極装置、および前記可動部分上の磁気装置を含
   み、前記圧電曲がり素子の偏向力が前記磁気回路
   装置の保持力を越えるまで前記可動部分を前記磁
   極装置に磁気的に吸引保持させる磁気回路装置よ
   り構成されることを特徴とする磁気離脱止圧電リ
   レー。 ２ 前記第１および第２の接点装置が前記磁気回
   路内にあることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の磁気離脱止圧電リレー。 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請求の範囲第２項記載の磁
   気離脱止圧電リレー。 ４ 前記第２接点装置が前記磁極装置の上に置か
   れることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の磁気離脱止圧電リレー。 ５ 前記第２接点装置が磁気材料を含むことを特
   徴とする特許請求の範囲第４項記載の磁気離脱止
   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
   特許請求の範囲第１項記載の磁気離脱止圧電リレ
   ー。 ７ 前記磁石が電磁石を含むことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の磁気離脱止圧電リレ
   ー。 ８ 前記磁石がさらに前記電磁石の電流を変えて
   前記曲がり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特許請求の範囲第７項記
   載の磁気離脱止圧電リレー。 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特許請求の範囲第１項記載の
   磁気離脱止圧電リレー。 １０ 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請求の範囲第９項
   記載の磁気離脱止圧電リレー。 １１ 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、前記ベンダ
   素子から遠く離れかつ前記第２接点部材の近くに
   あつて共に選択結合する第３接点部材とを含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の磁気
   離脱止圧電リレー。 １２ 前記極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
   る特許請求の範囲第１項記載の磁気離脱止圧電リ
   レー。 １３ 前記極装置が前記磁気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特許請求の範囲第１項記載
   の磁気離脱止圧電リレー。 １４ 前記磁極装置は、その前面に向つて収束す
   るテーパ状であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の磁気離脱止圧電リレー。