JPS61156618A

JPS61156618A - 開放位置にある接点の間隔および閉塞位置にある接点の閉塞力を増加した同期動作電流開閉装置

Info

Publication number: JPS61156618A
Application number: JP60286845A
Authority: JP
Inventors: ジヨージ・アルバート・フアロール; ジヨン・ハーヴイー・ヴアン・ノイ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1985-12-19
Publication date: 1986-07-16
Also published as: GB2168851B; US4620124A; GB8529188D0; MX159296A; DE3544646A1; GB2168851A

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】〔産業上の利用分野（関連出願）〕本出願は本壌受人に譲渡され、同時に出願された米国特
許出願（本出願人によって同日に出願された日本国特許
願（１）および（３））と関連がある。

本発明は電気回路を切り換えるのに有用な圧電作動装置
に関する。更に詳細には、接点が開放位置にあるときの
接点間の間隔と接点が閉塞位置にあるとき閉塞力がとも
に大になるように特別に構成される圧電回路素子に関す
る。

〔従来の技術〕

電磁リレーは一対以上の電気接点を開放することによっ
て広い範囲の電気回路を開閉するために従来より使用さ
れている。電磁リレーはある用途では満足的に作動する
が、動作が遅く、比較的大型で、価格が高い。電磁リレ
ーは比較的かさばるソレノイドコイルと接点運動を行わ
せる関連リンク機構を必要とする。そのコイルとリンク
機構は、リレー価格の大部分であることに加えて、一般
的にエネルギ効率が良くない。更に、電磁リレーは同期
動作ができない。従来の電磁リレーは、例えば、交流電
気回路のような負荷を要求によって開閉するために使用
されるが、リレーの動作に関して一般的に大きな機械的
反応時間があるため、接点の動作には負荷電流波形の時
間尺においてばらばらであるのが通常である。その結果
、接点の開閉動作は、特に、負荷が交流回路であるとき
、電流波形の零点と同期していない。家庭電気配線のよ
うな電源の電流レベルで動作する電気回路にとって、リ
レー接点の開閉はしばしば接点間のアークを伴う。その
ような回路で電流が中断すると、リレー接点間の電流は
接点開放時に直ちに零に低下せず、むしろ、交流波形が
次の正弦波の零に達するまで接点間でアークの形で残る
。

電流レベルが正弦波の零点に向かって減少するので、ア
ークは不安定になり、突然消える。

チョッピングと称される現象である。低電流におけるこ
の突然の消失は極めて高速な電流変化を示す。その結果
、電流が中断される電気回路が無視できないインダクタ
ンスを有すると、インダクタンスと電流変化速度の積に
比例する高電圧の遷移が発生する。これらの電圧遷移は
回路あるいはリレー自身、あるいは両者に関連す−る装
置で電気破壊を生じさせるかも知れない。それ以上に、
その種のアークは接点自身に損傷を与え、接点腐蝕と接
点溶解をもたらす。それ故、接点が開閉するときリレー
接点間に生じるアークを最小にすることが望まれる。そ
の種のアークを最小にする１つの方法は、電流レベルが
できるだけ零に近い負荷電流波形の点で電気回路を開閉
するようにリレーを動作させることであり、その動作は
以下同期動作と称される。

圧電曲がり部材（ｂｅｎｄｅｒ）を利用する圧電装置は
同期動作開閉リレーを提供するために使用される。同期
動作はリレー接点が比較的短い時限で開閉位置間を運動
することを必要とする。圧電曲がり部材の高速動作、比
較的小さな体積、および小さな移行距離は同期動作リレ
ーにおけるその種の装置の利用を容易にする。圧電装置
の他の特徴は接点を運動させるために作用する歪力は圧
電曲がり部材の変形開始時に最大になるということであ
る。

この特徴は更に短い時限でリレー接点を運動させる装置
の能力を高める。この高速運動能力により、電流レベル
が開閉される回路で零であり、それによって実質的に接
点腐蝕、接点溶融、および遷移誘導電圧を減少するとき
に非常に近いときに接点が開閉するように圧電リレーが
動作させられる。更に、圧電装置の簡潔さが従来の電磁
リレーの機械的な問題の大部分を回避し、かつ、その種
の装置のエネルギ効率が低エネルギ消費による動作を可
能にする。

しかし、特に、曲がり部材が両端で固定され、加えられ
る電気信号に応答して中央が変形する、いわゆる「寸取
り虫」形状で動作すると、小さなサイズの圧電曲がり部
材にとって実現できる変位は非常に小さい。例えば、同
期動作開閉装置において有用な曲がり部材にとって、実
現できる変形はｌＯ〜２０ミル程度と小さい。ある用途
によっては、その程度の小さな変形は関係るす用途に要
求される誘導体強度を満足するほどには十分な接点間隔
を提供しない。更に、圧電曲がり部材から利用できる接
点閉塞力は比較的小さく、利用できる力は曲がり部材の
変形終了時に最小になる。曲がり部材の移行開始時に最
大になり、その終了時に最小になる圧電曲がり部材の力
持性は、その力特性が高速動作能力を与えることにおい
て同期動作リレー接点にとって有用であるが、それはま
た電磁リレーの特性よりも小さな残留力をリレー接点の
閉塞位置でもたらす。接点上の残留閉塞力が小さ過ぎる
と、従来より接触抵抗として称されている特定の回路用
の閉塞接点間の電気抵抗が許容できない程度に大になる
。接触抵抗が大になると、接点間で電力消費が大になり
、接触部の抵抗発熱が多くの接点を欠陥にする恐れがあ
る。これらの理由により、圧電曲がり部材によって実現
できる十分な変位は曲がり部材が開閉装置で採用されな
いときは利用できない。

その代わり、実現できる一部の変位だけが使用されて接
点の開放を提供し、残りは接点が閉塞位置にあるとき残
留閉塞力を提供するために使用される。

圧電曲がり部材は各種の圧電リレーにおける利用を含ん
で多くの用途に過去から使用されている。例えば、リレ
ー素子として使用される圧電曲がり部材は米国特許第２
，１６６．７６３号、第２．１８２．３４０号、第２，
４７１，９６７号、第２，８３５，７６１号、第４，０
９３，８８３号、および第４．４０３，１６６号に記載
されている。しかし、これらの特許によって開示される
圧電リレーは特にアークを最小にするように設定されて
いる。同期動作リレーを提供すること、あるいは家庭用
電力線電流レベルで動作する電気回路を開閉するのに特
に有用であるものに対して考慮は払われていない。上述
したように、そのような電流レベル・で動作する開閉回
路はその回路が交流レベルの正弦波の零に近い時間の点
で開閉されないと無視できないアークをもたらす。本発
明と同じ譲受人に譲渡され、本出願と同時に出願された
特許願（３）は従来のリレーの接点間隔に比較して非常
に小さいギャップ長を有する圧電リレーを開示しており
、そのリレーは同期動作が可能であり、例えば、１１０
■の交流回路が開閉されてもリレー接点には最小のアー
クしか発生しない。本発明と同じ譲受人に譲渡され、本
出願と同時に出願された特許願（３）も複数の圧電曲が
り部材を使用し、多重回路を開閉するか、１つ以上の回
路で接触抵抗を下げるために使用される同期動作電流開
閉装置を開示している。本発明は接点が開放位置にある
とき開閉接点間に大きな間隔を提供し、接点が閉塞位置
にあるとき大きな閉塞力を提供する同期動作電流開閉装
置を提供する。

〔発明の目的〕

本発明の目的は接点が開放位置にあるとき大きな接点間
隔を有し、接点が閉塞位置にあるとき大きな閉塞力を示
す圧電作動電流開閉装置を提供することにあることが上
記より踵解できる。

本発明の他の目的は高速動作、小サイズ、高エネルギ効
率、低コストをもたらす電流開閉装置を提供することで
ある。

本発明の更に他の目的は同期動作を行う電流開閉装置を
提供することである。

〔発明の要約〕

接点が開放位置にあるとき大きな接点間隔を有し、接点
が閉塞位置にあるとき大きな接点閉塞力を有する圧電作
動電流開閉装置が提供される。本発明の開閉装置は開閉
される回路の同期動作にとって特に有用である。この装
置は間隔を有する対向した多層圧電曲がり部材と少なく
とも一対の電流開閉接点を有する。接点の１つは一対の
対向面がり部材の１つの対向面に設けられ、他の接点は
他の対向面に設けられている。圧電曲がり部材は、第■
の電気信号に応答して相手に向かうように曲がって接点
を閉塞位置へ移動させ、第２の電気信号に応答して相手
から離れるように曲がって接点を開放位置へ移動させる
ように構成されている。開放位置にある接点は何れかの
曲がり部材だけから利用できる変位よりも大きいように
曲がり部材が構成されるが、電気信号が加えられないと
き接点間の距離は２つの曲がり部材から利用できる変位
の和より小さいことが好ましい。本発明の他の実施例で
は、３つの圧電曲がり部材が設けられ、形状は上述した
ものと類似しており、そによって三位置スイッチが構成
される。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例において有用な典型的な多質
圧電曲がり部材を示す側面図である。用語「多層」は圧
電曲がり部材が導電材料と圧電材料を交互に積層し、そ
の積層物が平行状態であることを意味する。導電材料に
よって分けられた２つの圧電材料を使用し、各圧電層の
対向側面に隣登って導電材料を有する多層的がり部材が
通常２層曲がり部材として言及される。第１図において
図示される２層構造で例示されるように、圧電曲がり部
材１０は圧電材料層２６．３０によって各外部導電層２
４．３２から分離される中心導電層２８を有する。第１
図に示される圧電曲がり部材の実施例では、中心導電層
２８は５層構造を有する。５層構造では、ばね部材１３
は曲がり部材の曲げ運動を容易にする中心可撓部材を有
する。導電性エポキシ層１５．１７は曲がり部材の二半
分を中心ばね部材１３に固定する働きを行う。中心導電
層１９．２１は圧電材料層２６．３０を外部回路（図示
せず）に電気的に接続する手段を提供する。

導電層４８．５０は外層２４．３２に電気的に接続され
、導体５２は中心層２８に電気的に接続される。導電層
２４．３２および圧電材料層２６．３０は誘電体として
圧電材料を有する平型コンデンサが外層２４と中心層２
８の間に形成され、類似した平型コンデンサの外層３２
と中心層２８の間に形成されるように配置される。この
２層構造により、曲がり部材１０は第１の電気信号に応
答して曲がり部材１０が位置する面に実質的に垂直な方
向へ曲がる運動を行い、第２の電気信号に応答して対向
する方向に曲がる運動を行う。

曲がり部材１０の一端が固定されて電圧が外層２４と中
心層２８の間に加えられると、圧電材料層２６にかかる
電界が曲がり部材１０の自由端を上方に変形させる。同
じような方法で、外層３２と中心層２８の間に加えられ
る電圧は曲がり部材１０の自由端と下方に変形させる。

曲がり部材の両端が固定されて層２４．２８あるいは層
３２．２８の何れかの間に電圧が加えられると、曲がり
部材１０の中心が寸取り虫の形状で上方あるいは下方に
弓なりになる。電流開閉接点４４は圧電曲がり部材１０
の外部導電層３２に固定される。

接点４４を導電層３２から電気的に絶縁することが望ま
しい用途では、接点マウント４０が接点４４と層３２の
間に設けられ、電気絶縁材料を含む。

第２ａ図に示される本発明の一実施例は、一対の多層圧
電的がり部材１０が間隔を有した対向する関係で配置さ
れる。そこに示される圧電作動電流開閉装置は少なくと
も一対の電流開閉接点５９．６０を有する。接点５９．
６０は曲がり部材１０上に設けられ、その１つの接点は
その対の曲がり部材の１つの対向表面上に設けられ、第
２の接点は対向表面の第２の表面上に設けられる。接点
５９．６０および圧電曲がり部材１０は第１の電気信号
に応答して相手の方に曲げられて接点５９．６０を閉塞
位置へ運動させるように構成される。曲がり部材１０は
第２の電気信号に応答して相手から離れるように曲げら
れて開放位置へ接点５９．６０を運動させるように構成
される。圧電材料技術にとって、圧電曲がり部材が加え
られる電気信号に応答して運動する方向は圧電材料２６
．３０がボール（極性化）される方法と導体５２に加え
られる電圧に対する導体４８あるいは導体５０に加えら
れる電圧の極性に依存する。圧電材料層２６．３０は導
体５２に加えられる電圧に対して導体４８の電圧が負の
とき曲がり部材１０が下方に運動し、導体５２に加えら
れる電圧に対して導体５０の電圧が負のとき上方に運動
するようにボールされる。反対に、圧電材料層２６．３
０は導体５２に加えられる電圧に対してそれぞれ導体４
８に加えられる電圧が正のとき曲がり部材ＩＯが下方に
運動し、導体５０に加えられる電圧が正のとき上方に運
動するようにボールされても良い。以下の検討において
、後者の極性化の構成だけが特別に説明される。しかし
、本発明の原理は他の極性化の構成にも等しく適用され
、関連する電気信号の極性に適当な変更を加えれば良い
。

各圧電部材１０の圧電材料層２６．３０を上述の方法で
極性化することにより、また、第２ａ図に示される方法
で曲がり部材１０を相互に電気的に接続することにより
、曲がり部材１０は端子への電位が端子Ｃの電位に対し
て正になるとき第２ｂ図に示されるように相手から離れ
るように曲がる。その代わり、端子Ｂの電位が端子Ｃの
電位に対して正になるとき曲がり部材１０は第２Ｃ図に
示されるように相手に向かって曲がる。曲がり部材１０
の対および接点５９．６０をお互いに適当に間隔をとる
ことによって第２ａ図に示される開閉装置はたった１つ
の曲がり部材１０が使用されれば実現できる接点間隔に
比較して開放位置にあるときの接点５９．６０の間隔を
大にすることができる。その装置はまた閉塞位置にある
とき同じ接点移行距離にとって１つの圧電曲がり部材１
０で利用できるよりも大きな残留閉塞力を接点５９．６
０に与えることができる。大きな接点間隔と大きな閉塞
力の両方が提供されることが好ましい。

曲がり部材１０が第２ａ図に示されるように構成され、
電気的に接続されることにより、端子Ａに正電圧の電気
信号を加えると、各曲がり部材１０が相手から離れるよ
うに曲がる。

２つの距離の和と、それに付随する開放位置にある接点
５９．６０の距離が同じトリガー信号にとって何れかの
圧電曲がり部材１ｏだけから利用できる曲がり距離より
も大きい。

電気信号が加えられないとき接点５９．６０間の距離が
端子Ｂに正電圧の信号が加えられて利用できるある曲が
り距離が接点残留閉塞に変換されれば、曲げ部材１ｏの
対から利用できる曲がり距離の和よりも小さい。即ち、
接点５９．６０は既に閉塞位置にないとすれば、相手に
向かう接点５９．６ｏの移動を続けさせる部材１０によ
って発生させられる残りの曲がり力がそれらを一体に期
待する接点５９．６０上の残留閉塞力として作用する点
において出会うまで相手に向かって移動する。

実施例では、電気信号が加えられないとき接点５９．６
０間の距離は端子Ｂの正電圧信号に応答して各曲がり部
材１０がら利用できる曲がり距離の和の半分になるよう
に曲がり部材１０が構成される。この実施例では、曲が
り部材１０から利用できる曲がりカの半分は接点５９．
６０を運動させるために使用され、他の半分は接点５９
．６ｏを一緒に保持するために使用される。接点５９．
６ｏが端子Ａに正電圧信号を加えることによって開くよ
うに信号化されると、曲がり部材ＩＯから利用できる曲
がり距離の全ては相手から接点５９．６０を離すために
使用され、完全な開放位置にある接点５９．６０間の間
隔は電気信号が加えられないときの接点５９．６ｏの距
離の３倍である。

第２ａ図に示される形状の複数の対の多層対向圧電曲が
り部材は多種スイッチ能力を提供すように組み合わせら
れても良い。各対の曲がり部材は別々の電気信号によっ
て制御されても良く、各対は単極単投大型の独立開閉ユ
ニットを形成する。代わりに、２対以上の対向曲がり部
材が多極単投入スイッチを提供するように第３図に示さ
れる形状で電気的に接続されても良い。そこに図示され
た実施例では、端子ＡあるいはＢに正電圧の信号を加え
ると、両灯の接点が開放あるいは閉塞する。

従って、この実施例は同時多重スイッチ能力を提供する
ために使用できる。各対の接点は分離回路を開閉するた
めに使用されても良く、多くの接点対は開閉装置の電圧
あるいは電流搬入能力を高めるか、あるいは開閉される
回路の接触抵抗を減するために信号回路を開閉するよう
に組み合わせられても良い。例えば、多くの接点対は高
電圧電気破壊に打ち勝つように開閉装置の能力を改善す
るために開閉される回路と電気的に直列に接続されても
良い。

代わりに、接点対は接触抵抗を減するように開閉装置の
電流搬入能力を高めるために開閉される回路と電気的に
並列に接続されても良い。

第４図は第１図に類イ以した側面図であり、第５〜７図
に示される本発明の他の実施例に有用な典型的な圧電曲
がり部材を示す。圧電曲がり部材１２は電流開閉接点４
６と接点マウント４２の付加を除いて第１図に示され、
かつ、それと関連して上述された圧電曲がり部材１０と
同じである。接点マウント４０と類似したマウント４２
が接点４６を導電層２４から電気的に絶縁することが望
ましい用途に適用される電気絶縁材料を有する。

圧電曲がり部材１０．１２は第５〜７図に示される実施
例によって図示されるように三位置スイッチを形成する
ために複数の組み合わせで使用されても良い。第５ａ図
に示されるように、圧電作動電流開閉装置は第４図に示
される型の１つの圧電曲がり部材１２と第１図に示され
る型の２つの圧電曲がり部材１０を有し、曲がり部材１
０は曲がり部材１２の対向側でそこから離れたところに
位置する。この装置は少なくとも１組の４接点を有し、
第１および第２の接点は曲がり部材１０上に設けられ、
それによって１つの接点が各曲がり部材１０上に設けら
れ、かつ、各接点は曲がり部材１２に面している。第３
の接点は第１の接点に面する曲がり部材１２の側面に設
けられ、第４の接点は第２の接点に面する曲がり部材１
２の側面に設けられている。第５ａ図に示される実施例
にとって、この組の４つの接点は２つの曲がり部材１０
にそれぞれ設けられる２つの接点４４と、曲がり部材１
２に設けられる１つずつの接点４４．４６を有する。以
下の検討における混乱を避けるために、これらの接点６
１〜６４として示される。圧電曲がり部材１２は圧電曲
がり部材１０に対して配置されており、それによって第
１の電気信号に応答して曲がり部材１２は第１の接点６
１に向かって曲がり、開放位置へ第２および第４の接点
６２．６４を運動させながら閉塞位置へ第１および第３
の接点６１．６３を運動させる。曲がり部材１２は曲が
り部材１０に対して配置されており、それによって第２
の電気信号に応答して曲がり部材１２は第２の接点６２
に向かって曲がり、開放位置へ第１および第３の接点６
１．６３を運動させながら閉塞位置へ第２および第４の
接点６２．６４を運動させる。

第５ａ図に示されるように、曲がり部材１０．１２は相
互に電気的に接続されており、曲がり部材１２は第２の
接点６２に向かって曲がり、端子Ａの電位が端子Ｃの電
位に対して正になると、第５ｂ図に示される方法で開放
位置へ第１および第３の接点６１．６３を運動させなが
ら閉塞位置へ第２および第４の接点６２．６４を運動さ
せる。その代わり、端子Ｂの電位が端子Ｃの電位に対し
て正になると、曲がり部材１２は第１の接点６１へ向か
って曲がり、第５Ｃ図に示されるように、開放位置へ第
２および第４の接点を運動させながら閉塞位置へ第１お
よび第３の接点６１．６３を運動させる。第２ａ図に示
された装置で上述された方法と類似した方法で、第５ａ
図に示される開放装置は各曲がり部材１０に対する曲が
り部材１２の間隔を適当にとることにより対向する対の
圧電曲がり部材を使用しないで実現できる接点間隔に比
較して接点が開放位置にあるとき接点対６１．６３およ
び接点対６２．６４の間により大きな間隔を提供する。

更に、第２図の装置で検討された方法に類似し、第５図
の装置は閉塞位置にあるとき各接点対上により大きな残
留閉塞力を提供する。この装置はまた大きな接点間隔と
大きな閉塞力の組み合わせを提供する。実施例では、第
１および第３の接点６１．６３間の距離が電気信号が加
えられないとき、端子Ｂの正電圧信号に応答して接点６
１．６３が取付けられている曲がり部材から利用できる
個々の曲がり距離の和の半分になるように各曲がり部材
１０に対して曲がり部材１２が配置される。類似する方
法では、接点６２．６４間の距離は電気信号が加えられ
ないとき端子Ａの正電圧信号に応答して第２の接点６２
が取付けられる曲がり部材と、曲がり部材１２から利用
できる個々の曲げ距離の和の半分である。

第６図および第７図は第５ａ図に示される装置の他の実
施例を示す側面図である。第６図および第７図に示され
る本発明の実施例は、種々の圧電曲がり部材が非圧電接
点取付は構造によって置換されている点を除いて第５ａ
図に示された装置と構造および作用において類似してい
る。第６図の実施例において、各圧電曲がり部材１０は
接点取付は構造１４によって置換されている。第７図に
示される実施例では、圧電曲がり部材１２は接点取付は
構造１６によって置換されている。接点取付は構造１４
．１６は各種の電流開閉接点６１〜６４の支持を提供す
る働きをし、実質上特別の用途に要求される機械および
電気特性を有する構造を有する。第６図および第７図に
示される実施例は第５ａ図の実施例によって期待される
ものと接点閉塞力および接点間隔において同じ効果を提
供しないけれども、特定の用途に適切である多重位置ス
イッチに容易になり得る。

第５〜７図の実施例は二位置スイッチあるいは三位置ス
イッチとして動作し得る。示された電気的な相互接続に
より、各実施例は接点６３．６４あるいは接点６１．６
２が電気的に相互に接続されると単極双投スイッチとし
て採用される。更に、第５〜７図に示される複数のセン
トの曲がり部材あるいはそのセットの曲がり部材と接点
取付は構造は多重開閉能力を提供するように組み合わさ
れても良い。各セットの開閉素子は別々の電気信号によ
って制御されても良く、各セントは独立した開閉ユニッ
トを形成する。代わりに、２つ以上のセットが多極双投
スイッチを提供するように第３図に示されるものに類似
する方法で電気的に接続されても良い。更に、多くの接
点が開閉装置の電圧あるいは電流搬入能力を高めるため
、あるいは開閉される回路の接触抵抗を減するために単
一の回路を開閉するように組み合わされても良い。例え
ば、第７図に示される開閉装置の接点６３．６４が電気
的に相互に絶縁されていれば、かつ、別々に作動するよ
うに圧電曲がり部材１０が電気的に電気制御信号に接続
されていれば、接点６１．６３および接点６２．６４間
の間隙は開閉される回路の高電圧に耐えるように開閉装
置の能力を高めるために直列に使用されても良い。その
代わり、開閉装置の電流搬入能力を高めると、あるいは
接触抵抗を減することが望ましいのであれば、接点６１
．６３と接点６２．６４は開閉される回路と並列に電気
接続されても良い。

本発明によって提供される電流開閉装置の同期動作は電
流開閉接点間のアークを最小にしながら無視できない電
流レベルの電気回路動作を開閉するためにその種の装置
の使用を可能にする。アークが最小になるように接点が
動作させられると、接点の腐蝕と接点間の間隙の派生変
化も最小になる。接点間の間隙変化が最小になると、接
点移行距離の無視できない増加が開閉装置の動作寿命に
わたって要求されなくなる。同期動作開閉装置に使用さ
れる接点間の比較的短い間隙は圧電曲がり部材を使用し
て接点を短時限で開閉させる。

−例として、かつ、限定するものではなく、１ミルの間
隔を有する接点は約２００マイクロ秒で閉塞される。そ
の種の開閉装置が動作する速度は電流波形が予測できる
か、正弦波零時点が判定し得る交流回路のような回路に
おいて真の同期動作を可能にする。１つの実施例では、
本発明の開閉装置は上記した特許出願（同日に出願した
同一出願人による特許願（３））に記載された方法で同
期動作させられる。

本発明の電流開閉装置の１つの特別の有用な用途は従来
の１１０ボルトの電力線に接続される同期動作電流回路
用としてである。その用途では、各対の開閉接点は接点
が開放位置にあるとその間の距離は破壊電圧が１７０ボ
ルトより大きくなるように配置される。同時に、接点間
の距離は十分に小さく、曲がり部材と接点は十分小さい
体積であり、それによって約２００マイクロ秒以下の時
限で開閉位置間を運動する。一つの実施例では、開放位
置にある接点間の距離は約１ミル以下であり、０．１ミ
ルといった小ささである。接点間のそんなに小さな間隔
は１１０ボルトの交流回路の動作に設計された従来の・
リレーの接点間隔よりずっと小さい。しかし、本発明は
接点間のそんな小さな距離にとってさえ、圧電開閉装置
の誘電体強度は典型的な１１０ボルトの家庭電力線の動
作にとって十分であることを発見した。予期せぬことに
、その種の装置にとって十分な破壊電力が０．１ミルの
小さな接点間隔にとってさえ得られた。パッシェン（Ｐ
ａｓｃｈｅｎ）の法則によれば、ガス雰囲気の２電極間
の破壊電圧はガス圧と電極間の距離の積の関数である。

大気圧の空中の１センチメートルの電極間隔にとって、
破壊電圧は約３０キロボルトになると判断される。３０
にν／　ｃｍのこの破壊電界が数センチメートルの間隔
にとって許容できるように空中の１ミルの電極の破壊電
圧を推定するのに使用されると、推定破壊電圧は７７ボ
ルトである。しかし、パッシェンの法則によって与えら
れる。破壊電圧は接点間隔が小さくなっても零に線形に
減少しないことが発見されたが、むしろ最小値に近くな
り、それから再び増加する。空気にとって、この最小破
壊電圧は若干３００ポルトより大であることが判った。

この最小破壊電圧とそれに続いて誘電体強度が増加する
理由は、ガス圧と電極間隔の積が小さいとき、接点間の
間隔を移行するときに電子が衝突するガス原子の数もま
た小さくなることで理論付けられる。ガス中の破壊プロ
セスによりガスが電気導体になって、そのために、周囲
のガス原子と衝突してイオン化するガス中の電子の能力
に大きく依存するので、導電通路を確立する可能性は利
用できる目標原子の数が小さいとき減少する。破壊プロ
セスがガス衝突機構から電極表面を主体とする真空破壊
機構への基本的な変化を受け、かつ、ある接点間隔の破
壊電圧が一般に大気圧のガス中よりも真空の方がずっと
高いので、破壊電圧は最小値に近づいてそれから再び増
加すると考えられる。従って、発明者は接点間に非常に
小さな間隔を有する圧電リレーが同期動作を行って１１
０ボルト交流回路がリレー接点間のアークを最小にして
開閉されると判断した。

本発明の開閉装置の他の特別の有用な家電用制御回路と
して使用される型の同期動作電気回路である。その種の
用途の負荷回路動作電圧は２４ボルトの小さな電圧から
３４０ボルト以上の電圧までの範囲を有する。これらの
回路の負荷電流は交流および直流の両波形を含む。本発
明のリレーが使用されて直流電荷を開閉すると、リレー
の動作は、例えば、電圧クランプ回路としてのその種の
従来の制御手段によって補助されても良い。最後に、本
発明の開閉装置は空中、真空中、あるいは不活性ガス中
で動作でき、動作環境の選択は関係する特別の用途によ
って決定される。上述された本発明の開閉装置の特別の
有用用途は、例示されたもので限定するものではない。

以上の説明は、開閉接点が開放位置にあるとき接点間隔
が増加し、閉塞位置にあるとき接点閉塞力が増加する圧
電作動電流開閉装置について述べた。本発明はまた高速
動作、小サイズ、高エネルギ効率の開閉装置を提供する
。更に、本発明の閉塞装置は同期動作ができて開閉接点
真のアークは最小になる。

本発明は実施例に基づいて詳しく述べられたが、多くの
修正と変更が当業者にとって可能である。例えば、曲が
り部材１０．１２が図示の形状で示され、寸取り虫の形
状で中心で曲がるようになっているが、曲がり部材１０
．１２は本発明の原理から外れることなくスプリング板
状態に曲がっても良い。従って、全てのその種の修正と
変更が本発明の真の精神と範囲内に入るものとして含め
ることが添付される特許請求の範囲によって意図される
。

【図面の簡単な説明】

第１図および第４図は本発明で有用な圧電曲がり部材を
示す側面図。第２図は本発明の一実施例を示す側面図。第３図は本発明の他の実施例を示す側面図。第５図は本発明の更に他の実施例を示す側面図。第６図および第７図は第５図に示される実施例に代わる
実施例を示す側面図。符号の説明

Claims

【特許請求の範囲】

（１）位置する面に実質的に垂直の方向に第１電気信号
に応答して曲がり運動し、かつ、その反対方向に第２の
電気信号に応答して曲がり運動する一対の間隔を有した
対向する多層圧電曲がり部材と、前記一対の対向する曲がり部材の対向する１つの表面に設けられた１つの接点、および前記対向す
る第２の表面に設けられた前記対の第２の接点を有する
少なくとも一対の電流開閉接点とを含み、前記一対の接点および圧電曲がり部材は前記第１の電気信号に応答して前記対向する曲がり部材が
相手に向かって曲がって前記接点を閉塞位置へ運動させ
、前記第２の電気信号に応答して前記対向する曲がり部
材が相手から離れて前記接点を開放位置へ運動させるよ
うに構成されることを特徴とする圧電作動電流開閉装置
。
（２）前記圧電曲がり部材は、更に、前記第２の電気信
号に応答して前記開放位置にある前記接点間の間隔が、
前記第２の電気信号に応答して何れかの前記圧電曲がり
部材だけから利用できる曲がり距離より大きくなるよう
に構成される特許請求の範囲第１項記載の圧電作動電流
開閉装置。
（３）前記圧電曲がり部材は、前記接点間の距離が、電
気信号が加えられないとき前記第１の電気信号に応答す
る前記圧電曲がり部材から利用できる曲がり距離の和よ
り小さくなるように構成される特許請求の範囲第２項記
載の圧電作動開閉装置。
（４）前記圧電曲がり部材は、前記接点間の距離が、電
気信号が加えられないとき前記第１の電気信号に応答す
る前記曲がり部材から利用できる曲がり距離の和の半分
になるように構成される特許請求の範囲第３項記載の圧
電作動電流開閉装置。
（５）複数の前記対の圧電曲がり部材および前記対の接
点が多極単投スイッチを形成する形状で設けられる構成
の特許請求の範囲第１項記載の圧電作動電流開閉装置。
（６）位置する面に実質的に垂直に第１の電気信号に応
答して曲がり運動し、かつ、第２の電気信号に応答して
反対方向に曲がり運動する型の多層圧電曲がり部材と、前記圧電曲がり部材の対向側面に位置し、前記曲がり部材と間隔を有する第１および第２の接点取
付け構造と、第１および第２の接点が前記第１および第２の接点取付け構造に設けられて前記接点がそれぞれ前
記圧電曲がり部材に面し、第３の接点が前記第１の接点
に面する前記圧電曲がり部材の側面に設けられ、第４の
接点が前記第２の接点に面する前記圧電曲がり部材の側
面に設けられた少なくとも一組の４つの接点とを備え、前記第１の電気信号に応答して前記曲がり部材が前記接点取付け構造に向かって曲がって前記第１
および第３の接点を閉塞位置へ運動させるとともに前記
第２のおよび第４の接点を開放位置へ運動させ、かつ、
前記第２の電気信号に応答して前記曲がり部材が前記第
２の接点取付け構造に向かって曲がって前記第２および
第４の接点を閉塞位置へ運動させるとともに前記第１お
よび第３の接点を開放位置へ運動させるように前記圧電
曲がり部材が前記第１および第２の接点取付け構造に対
して配置されることを特徴とする圧電作動電流開閉装置
。
（７）電気信号が加えられないとき前記第１および第３
の接点間の距離が前記第１の電気信号に応答する前記曲
がり部材から利用できる曲がり距離の半分になり、前記
第２および第４の接点間の距離が前記第２の電気信号に
応答する前記曲がり部材から利用できる曲がり距離の半
分になるように前記圧電曲がり部材が前記第１および第
２の接点取付け構造に対して配置される構成の特許請求
の範囲第６項記載の圧電作動電流開閉装置。
（８）前記第１の接点取付け構造が第２の多層圧電曲が
り部材を有する特許請求の範囲第６項記載の圧電作動電
流開閉装置。
（９）前記第２の接点取付け構造が第３の多層圧電曲が
り部材を有する特許請求の範囲第８項記載の圧電作動電
流開閉装置。
（１０）前記第２の電気信号に応答して開閉位置にある
前記第１および第３の接点間の距離が前記第２の電気信
号に応答する何れかの前記第１および第２の圧電曲がり
部材だけから利用できる曲がり距離より大になり、前記
第１の電気信号に応答して前記開放装置にある前記第２
および第４の接点間の距離が前記第１の電気信号に応答
する前記第１および第３の何れかの圧電曲がり部材だけ
から利用できる曲がり距離より大になるように、更に、
前記圧電曲がり部材が構成される特許請求の範囲第９項
記載の圧電作動電流開閉装置。
（１１）電気信号が加えられないとき第１および第３の
接点間の距離が前記第１の電気信号に応答する前記第１
および第２の圧電曲がり部材から利用できる曲がり距離
の和より小さく、前記第２および第４の接点間の距離が
前記第２の電気信号に応答する前記第１および第３の圧
電曲がり部材から利用できる曲がり距離の和より小さく
するように前記圧電曲がり部材が構成される特許請求の
範囲第１０項記載の圧電作動電流開閉装置。
（１２）電気信号が加えられないとき前記第１および第
３の接点間の距離が前記第１の電気信号に応答する前記
第１および第２の圧電曲がり部材から利用できる曲がり
距離の和の半分になり、前記第２および第４の接点間の
距離が前記第２の電気信号に応答する前記第１および第
３の圧電曲がり部材から利用できる曲がり距離の和の半
分になるように前記圧電曲がり部材が構成される特許請
求の範囲第１１項記載の圧電作動電流開閉装置。
（１３）複数の前記圧電曲がり部材、前記第１および第
２の接点取付け構造、および前記４つの接点の組が多極
双投スイッチを形成する形状の特許請求の範囲第６項記
載の圧電作動電流開閉装置。
（１４）接点取付け構造と、第１の電気信号に応答して前記曲がり部材が位置する面に実質的に垂直な方向へ曲がり運動し、第
２の電気信号に応答して反対方向に曲がり運動し、前記
接点取付け構造の反対側にそれと間隔を有して位置する
第１および第２の多層圧電曲がり部材と、第１および第２の接点が前記第１および第２の圧電曲がり部材上に設けられることにより、前記接
点が前記接点取付け構造に面し、第３の接点が前記第１
の圧電曲がり部材に面する前記接点取付け構造の側面に
設けられ、前記第４の接点が前記第２の圧電曲がり部材
に面する前記接点取付け構造の側面に設けられる少なく
とも１組の４つの接点とを含み、前記第１の電気信号に
応答して前記第１の圧電曲がり部材が前記接点取付け構造に向かって曲がる
とともに前記第２の圧電曲がり部材が前記構造から離れ
るように曲がって前記第１および第３の接点を閉塞位置
へ運動させるとともに前記第２および第４の接点を開放
位置へ運動させ、前記第２の電気信号に応答して前記第
１の圧電曲がり部材が前記接点取付け構造から離れると
ともに前記第２の圧電曲がり部材が前記構造に向かって
曲がって前記第２および第４の接点を閉塞位置へ運動さ
せるとともに前記第１および第３の接点を開放位置へ運
動させるように前記接点取付け構造が前記第１および第
２の圧電曲がり部材に対して配置されることを特徴とす
る圧電作動電流開閉装置。
（１５）電気信号が加えられないとき前記第１および第
３の接点間の距離が前記第１の電気信号に応答する前記
第１の圧電曲がり部材から利用できる曲がり距離の半分
になり、前記第２および第４の接点間の距離が前記第２
の電気信号に応答する前記第２の圧電曲がり部材から利
用できる曲がり距離の半分になるように前記接点取付構
造が前記第１および第２の圧電曲がり部材に対して配置
される特許請求の範囲第１４項記載の圧電作動電流開閉
装置。
（１６）前記接点が前記開放位置にあるときその間の距
離が前記接点間の破壊電圧が前記開閉装置によって開閉
される負荷の最大動作電圧より大きくなる十分な値を有
し、前記接点が十分に小さく、かつ、前記接点と関係す
る曲がり部材が十分に小さな体積を有するために接点が
十分に小さな時限で前記開閉装置間を移動して前記接点
の位置が前記開閉位置間で変化するとともに前記接点を
介する負荷電流が実質的に零になるように前記曲がり部
材と前記接点が配置される特許請求の範囲第１項記載の
圧電作動電流開閉装置。
（１７）前記接点が開放位置にあるとき前記接点間の距
離は破壊電圧が約１７０ボルトより大きくなるように十
分な値を有し、前記距離が十分小さく、かつ、前記接点
および関連する曲がり部材が十分小さな体積を有するた
めに前記接点が前記開閉位置間で２００マイクロ秒以下
の時限で移動できるように前記曲がり部材および前記接
点が配置される特許請求の範囲第１項記載の圧電作動電
流開閉装置。
（１８）開放位置にある前記接点間の前記距離が１ミル
以下である特許請求の範囲第１７項記載の圧電作動電流
開閉装置。
（１９）前記接点が前記開放位置にあるとき前記接点間
の破壊電圧が３４０ボルトより大になるように前記接点
間の距離は十分な値を有し、前記距離が十分小さく、か
つ、前記接点と関連する曲がり部材が十分小さな体積で
あるために前記接点が約２００マイクロ秒以下の時限で
開閉位置間を移動できるように前記曲がり部材と前記接
点が配置される特許請求の範囲第１項記載の圧電作動電
流開閉装置。
（２０）前記接点が前記開放位置にあるとき前記接点間
の破壊電圧が約２４ボルトより大きくなるように前記曲
がり部材と前記接点が構成される特許請求の範囲第１項
記載の圧電作動電流開閉装置。
（２１）前記開放位置にある前記接点間の距離が十分小
さく、前記接点および関連する曲がり部材が十分小さい
体積であるために前記接点が約２００マイクロ秒以下の
時限で前記開閉位置間を移動できる特許請求の範囲第２
０項記載の圧電作動電流開閉装置。
（２２）前記第１および第３と、前記第２および第４の
接点が前記開放位置にあるとき前記開放位置にある各対
の接点間の距離は前記接点間の破壊電圧は前記開閉装置
によって開閉される負荷の最大動作電圧より大きくなる
ような値を有し、前記距離が十分小さく、かつ、前記接
点と関連する曲がり部材が小さい体積であるために前記
接点位置が前記開閉位置間で変化できる十分に小さな時
限で前記接点が前記開閉位置間を運動できるとともに前
記接点を介する負荷電流が実質的に零になるように前記
曲がり部材および前記接点が構成される特許請求の範囲
第６項記載の圧電作動電流開閉装置。
（２３）前記第１および第３と、前記第２および第４の
接点が開放位置にあるとき開放位置にある各対の接点間
の距離は前記接点間の破壊電圧が約１７０ボルトより大
きくなる値を有し、前記距離が十分に小さく、かつ、前
記接点と関連する曲がり部材が十分小さな体積であるた
めに前記接点が約２００マイクロ秒以下の時限で開閉位
置間を移動できるように前記曲がり部材および前記接点
が構成される特許請求の範囲第６項記載の圧電作動電流
開閉装置。
（２４）開放位置にある前記接点間の距離が１ミル以下
である特許請求の範囲の範囲第２３項記載の圧電作動電
流開閉装置。
（２５）前記第１および第３と、前記第２および第４の
接点が開放位置にあるとき、前記接点間の破壊電圧が約
３４０ボルトより大きくなるように前記接点間の距離が
十分な値を有し、前記距離が十分小さく、かつ、前記接
点と関連する曲がり部材が十分小さな体積であるために
約２００マイクロ秒以下の時限で開閉位置間を前記接点
が連動できるように前記曲がり部材と前記接点が構成さ
れる特許請求の範囲第６項記載の圧電作動電流開閉装置
。
（２６）前記第１および第３と、前記第２および第４の
接点が開放位置にあるとき前記接点間の破壊電圧が約２
４ボルトより大きくなるために開放位置の各対の接点間
の距離が設定されるように前記曲がり部材および前記接
点が構成される特許請求の範囲第６項記載の圧電作動電
流開閉装置。
（２７）開放位置の各対の接点間の距離が十分に小さく
、かつ、前記接点および関連する曲がり部材が十分小さ
い体積であるために前記接点が約２００マイクロ秒以下
の時限で開閉位置間を移動できる特許請求の範囲第２６
項記載の圧電作動電流開閉装置。
（２８）前記第１および第３と、前記第２および第４の
接点が開放位置にあるとき、前記開閉装置によって開閉
される負荷の最大動作電圧より大きくするために開放位
置にある各対の接点間の距離が設定され、前記距離が十
分小さく、かつ、前記接点および関連する曲がり部材が
十分小さな体積であるために前記接点の位置が開閉位置
間で変化できる十分小さな時限で前記接点が開閉位置間
で運動できるとともに前記接点を介する負荷電流が実質
的に零になるように前記曲がり部材および前記接点が配
置される特許請求の範囲第１４項記載の圧電作動電流開
閉装置。
（２９）前記第１および第３と、前記第２および第４の
接点が開放位置にあるとき前記接点間の破壊電圧が１７
０ボルトより大きくなるために各対の接点間の距離が設
定され、前記距離が十分に小さく、かつ、前記接点およ
び関連する曲がり部材が十分小さな体積であるために約
２００マイクロ秒以下の時限で前記接点が開閉位置間を
運動できるように前記曲がり部材と前記接点が配置され
る特許請求の範囲第１４項記載の圧電作動電流開閉装置
。
（３０）開放位置にある前記接点間の距離が１ミル以下
である特許請求の範囲第２９項記載の電圧作動電流開閉
装置。
（３１）前記第１および第３と、前記第２および第４の
接点が開放位置にあるとき、前記距離間の破壊電圧が３
４０ボルトより大きくなるために開放位置の各対の接点
間の距離が設定され、前記距離が十分小さく、かつ、前
記接点と関連する曲がり部材が十分小さな体積であるた
めに約２００マイクロ秒以下の時限で前記接点が前記開
閉位置間を運動できるように前記曲がり部材および前記
接点が配置される特許請求の範囲第１４項記載の圧電作
動電流開閉装置。
（３２）前記第１および第３と、前記第２および第４の
接点が開放位置にあるとき、前記接点間の破壊電圧が２
４ボルトより大きくなるために開放位置にある各対の接
点間の距離が設定されるように前記曲がり部材および前
記接点が配置される特許請求の範囲第１４項記載の圧電
作動電流開閉装置。
（３３）開閉位置にある各対の接点間の前記距離が十分
に小さく、かつ、前記接点および関連する曲がり部材が
十分小さな体積であるために約２００マイクロ秒以下の
時限で開閉位置間を前記接点が運動できる特許請求の範
囲第３２項記載の圧電作動電流開閉装置。