ステッピングスイッチ

電気工学において、ステッピング スイッチまたはステッピングリレー(ユニセレクターとも呼ばれる)は、一連の電気パルスによって指示され、入力信号パスを複数の可能な出力パスの 1 つに 切り替える電気機械デバイスです。

ステッピングスイッチの主な用途は、初期の自動電話交換機で電話の呼び出しをルーティングすることでした。その後、産業用制御システムでよく使用されるようになりました。第二次世界大戦中、米国でCORAL、JADE、PURPLEとして知られる日本の暗号機にはステッピングスイッチが搭載されていました。ブレッチリー・パークの暗号解読者は、ドイツのローレンツ暗号を解読するために、コロッサスの一連のパルスではなく、連続回転モーターで駆動するユニセレクタを採用しました。 ^[1]

ユニセレクタでは、ステッピング スイッチは 1 つの軸に沿って、またはその周りを移動しますが、複数の接点セットが同時に操作されることがよくあります。1888年にAlmon Brown Strowgerによって発明されたStrowger スイッチなどの他のタイプでは、機械的なスイッチングは接点のグリッドを横切って 2 方向に発生します。

ステッピング スイッチは、電気機械技術が最も重要だった時代に、電話システムや産業用制御システムで広く使用されていました。

基本的なステッピング スイッチは、1 つの (通常は入力) 端子と複数の (通常は出力) 端子を備えた電気で動作するロータリー スイッチです。他の一般的なロータリー スイッチと同様に、1 つの端子は、ワイパーと呼ばれることもある接触アームを目的の位置まで回転させることによって、複数の端子の 1 つに接続されます。1 つの位置から次の位置への移動はステッピングと呼ばれ、これがこのメカニズムの名前の由来です。従来の用語を使用すると、これは単極多位置スイッチです。

ステッピング スイッチの中には 1 つの極 (接点の層) しかないものもありますが、一般的なスイッチには複数の極があります。後者の場合、すべてのワイパーが一列に並んで一緒に動きます。したがって、1 セットのパルスを受信すると、複数のワイヤを持つ 1 つの入力を複数の出力の 1 つに接続できます。この構成では、回転接点は現代のハード ディスク ドライブのヘッド サポート アームに似ています。多極スイッチは一般的で、12 個もの極を持つものもありましたが、それほど一般的ではありませんでした。

ほとんどのスイッチには、シリンダーの半分に渡る固定接点のバンクがありますが、シリンダーの 3 分の 1 しかないものもあります。一般的な「半シリンダー」スイッチには、互いに向かい合う 2 セットのワイパー接点がありますが、「シリンダーの 3 分の 1」タイプには、等間隔で 3 セットあります。任意のレベルで、両方または 3 つのワイパーすべてが接続されるため、2 つ (または 3 つ) のどれが接続されていても違いはありません。より多くのコンセントにアクセスする必要がある場合、ローターには、互いに向かい合うが垂直にオフセットされた 2 セットのワイパーがあります。最初の半回転で 1 セットのコンセントにアクセスし、次の半回転で 2 セット目のコンセントにアクセスします。

電磁石に直流パルスが供給されると、ワイパーが次の位置に進みます (ステップ)。磁石のアーマチュア (バネ式) が爪を操作してラチェットを前進させます。爪が最大ストロークに達すると、ラチェットがブロックされ、ラチェットとワイパーがオーバーシュートしなくなります。コイルへの電力が切断されると、バネが爪を引っ込めます。フレームに取り付けられた別の爪 (デテント スプリングと呼ばれることもあります) により、ワイパーが後方に動かなくなり、接触摩擦で所定の位置に保たれます。ユニセレクターの設計には、動作パルスの適用時にステップするものもあれば、パルスの除去時にステップするものもあります。

電話などのほとんどのアプリケーションでは、ワイパーを「ホーム」位置に戻すことができることが望ましいです。これは、回転の開始時、固定接点の配列の一方の端です。一部のスイッチには、ワイパー シャフトにカムが取り付けられています。このカムは、ワイパーがホーム位置 (回転範囲の開始時) にあるときに、一連の接点を操作します。他の回路設計では、接点の 1 つのレベル (極) を使用してワイパーをホーム位置に戻すため、個別のホーム接点は必要ありませんでした。

一般的なステッピング スイッチには、ステッピング マグネットのアーマチュアによって直接操作される接点があります。これらの接点は、マグネットをサイクル (「セルフ ステップ」) させ、電源が供給されている限りワイパーを前進させる役割を果たします。ワイパーが目的の位置 (ホーム ポジションなど) に到達すると、外部制御回路によって電源が切断されます。

ほとんどのステッピング スイッチはワイパーを一方向にのみ回転させますが、双方向のものもあります。双方向のスイッチには、ワイパーを反対方向に回転させるための 2 番目の磁石が付いています。3 番目の種類は、ワイパーが徐々にステップするにつれてスプリングを「巻き上げ」、ラチェットがワイパーがホーム ポジションに戻らないようにします。回路が不要になると、別の電磁石が保持爪を解放し、スプリングがワイパーをホーム ポジションに戻します。

ステッピング スイッチは、動作時間を最小限に抑えるために機構が急速に加速および停止するため、動作中にかなり大きな音を発します (特にセルフ ステッピング時)。その音は、スナップ アクション機構の音に匹敵します。ただし、定期的なメンテナンスを行えば長寿命になるように設計されており、非常に信頼性があります。

単軸ステッピング スイッチは、ユニセレクターと呼ばれることもあります。

• 
  タイプ206Aステッピングリレーのいくつかのビュー
• 
  配線端子、ユニットは22ポジション、6層スイッチです
• 
  社内連絡先
• 
  ソレノイドとワイパーアーム
• 
  上面図、ラチェットホイール、爪、デテントスプリング（左側）

もう少し複雑なのは、 2 軸ステッピング スイッチ(英国ではストロージャー スイッチまたは2 モーション セレクタとも呼ばれる) です。通常、1 つのコンパクトなワイパー グループを 10 段階の 100 (または 200) の異なる固定接点の 1 つに接続できます。スイッチがアイドル状態のときは、ワイパーは固定接点から切り離されます。ワイパーは垂直シャフト上で上下に移動し、接点バンクに回転して接続します。垂直シャフト内部のスプリングが、ワイパーを下部のホーム ポジションに戻します。

このタイプには、爪とラチェットを備えた 2 つのステップ コイルがあり、1 つはワイパーを目的の接点バンクまで上げ、もう 1 つはワイパーをバンク内に回転させるものです。これらは、10 個の接点を持つ 10 バンクの電話交換機でよく使用されていました。コイルは通常、回転式電話ダイヤルから得られる電気パルスによって駆動されます。2 動作セレクタでは、数字がダイヤルされると、ワイパーがバンクをステップアップし、次に、次のスイッチ ステージへの「未使用」のアウトレットが見つかるまで、選択されたバンクに自動的に回転 (セルフ ステップ) します。ダイヤルされた最後の 2 桁は、コネクタ スイッチ (英国では最終セレクタ) を操作します。最後から 2 番目の桁はワイパーを上昇させ、最後の桁は、呼び出された顧客の回線アウトレットへのバンクにワイパーを回転させます。回線がアイドル状態の場合、着信回線に呼び出し電圧が適用され、呼び出し音が発信回線に送信されます。

2 軸スイッチの別のバリエーションは、米国西部の電話交換機で非常に一般的だったStromberg-Carlson XY スイッチです。これは平らなメカニズムで、可動接点は左右だけでなく前後にも動きます。非常に信頼性が高く、最小限のトレーニングでメンテナンスできます。

ステッピング スイッチは、電話システム以外にもさまざまな用途で使用されています。スイッチを複数直列に接続し、1 つのスイッチの最大出力を次のスイッチのステッピング接点に送ることで、カウンタを構成できます。または、リレーを介して無限パルス列をステッピング接点に供給し、スイッチ自体の出力からリレーを制御することで、最初の無電源ライン (リレーが通常開か通常閉かによって、電源が供給されているライン) を自動的に探すようにできます。また、ステッピング スイッチをデマルチプレクサとして使用して、2 つの入力ラインで複数の出力デバイスを制御することもできます。1 つの入力ラインは、正しいデバイスが選択されるまでスイッチをステップ制御し、もう 1 つの入力ラインはそのデバイスに電源を供給します。他の多くの用途が可能です。

このようなスイッチは、第二次世界大戦中に日本の一連の暗号機で使用されました: CORAL、JADE、PURPLE (名前はアメリカ風)。Colossus と呼ばれる英国の暗号解読機は、回転式ステップスイッチを使用しており、ドイツのローレンツ暗号を解読するために使用されました。

• ステッピングスイッチの仕組みの説明^[1]
• ロータリーステッパースイッチの概要とデモ