JP3306447B2 - 圧電振動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電振動装置において、
特に圧電素子の固定構造に関するもので、例えば圧電素
子を自励共振させて、直流電圧から高電圧に昇圧する電
子回路に用いて好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明者らは、特開昭６０−２５９７７
０号公報において、図８に示す高電圧発生のための昇圧
回路を提案している。この昇圧回路は、圧電素子１０の
軸方向両端の対向平面に電極１１ａ、１１ｂを形成し、
この圧電素子１０と直列にコンデンサ２０を結線してい
る。

【０００３】そして、交流入力電源２１から圧電素子１
０の共振周波数を持った交流電圧Ｖ ₁ を圧電素子１０に
印加し、圧電素子１０を振動させことにより、コンデン
サ２０の両端間に高電圧Ｖ₂ を発生し、この高電圧Ｖ₂
を出力端子２２から取り出すようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記昇圧回
路では、圧電素子１０の振動レベルが昇圧性能を支配し
ているので、圧電素子の固定構造によって昇圧回路の出
力特性が大きく影響を受けることになる。そこで、本発
明者らは、圧電素子１０の共振状態を詳細に調査したと
ころ、圧電素子１０の直径Ｄと高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）
が１より小さい場合、すなわち上記公報に開示されてい
る円柱形状の場合には、円柱形状の長手方向（軸方向）
に振動モードが発生しており、その場合の振動数は次の
数式１で表される。

【０００５】

【数１】ｆ＝１／２Ｈ・（Ｅｇ／γ）^0.5 ここで、Ｅは縦弾性係数、ｇは重力加速度、γは圧電素
子１０の密度である。そして、圧電素子１０の高さＨの
１／２の位置が振動の節となり、この位置にて圧電素子
１０の固定を行うことは知られている。

【０００６】そして、圧電素子１０の形状、大きさは、
昇圧後の出力電圧、出力電流に関係があり、出力電圧は
円柱状圧電素子１０の高さＨに比例し、出力電流は円柱
状圧電素子１０の底面積π・（Ｄ／２）² に比例する。
従って、出力電流を増加させる必要のある用途におい
て、円柱状を維持しようとすると、圧電素子１０の直径
Ｄと高さＨが双方とも増大して、圧電素子１０が大型化
するので、その消費電力が増大するという問題が生じ
る。

【０００７】そこで、出力電圧よりも出力電流の増加を
優先させる必要のある用途においては、圧電素子１０と
して、その直径Ｄと高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）が１より大
きい円板状のものが好ましいことになる。この円板状圧
電素子１０の振動数は次の数式２で表される。

【０００８】

【数２】ｆ＝μＨ・（Ｅｇ／γ）^0.5 ／（Ｄ² π） ここで、μは無次元の係数で、この場合は２．２７であ
る。一般的には、円板状の圧電素子１０の振動は、複数
の同心円の節円と、複数の節直径があるとされており、
その振動モードは円板の円周方向に複雑な折曲振動とな
る。そのため、円板状圧電素子１０の出力特性を妨げる
ことなく、効果的に素子１０を固定できる固定方法は未
だ確立されていない。

【０００９】そこで、本発明は、円板形状の圧電素子を
用いる圧電振動装置において、円板状圧電素子を、その
振動モードにほとんど支障をきたすことなく、良好に固
定できるようにすることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】まず、最初に、本発明の
技術的手段採用の理由について述べると、本発明者らは
円板状の圧電素子１０の固定方法について種々、調査、
検討したところ、円板状の圧電素子１０においては、そ
の直径Ｄと高さＨとの比（Ｄ／Ｈ）が２〜３０の範囲で
ある場合には、昇圧性能を支配している振動モードの節
円および節直径の数がともに０であることが判明した。

【００１１】すなわち、この振動モードの節円および節
直径の数がともに０になることから、円板状圧電素子の
軸中心部に振動が発生しない部分が存在することが分か
った。図２はこの振動モードの節円および節直径の数が
ともに０である場合の円板状圧電素子１０の振動形態を
模式的に示すもので、円板状圧電素子１０に交流電圧を
印加したとき、円板の軸中心部１０′が移動せずに軸中
心部１０′より外周側部分のみが振動する形態を示して
おり、図中、Ｘ断面およびＹ断面は円板の直交する２つ
の断面位置での断面形状を示している。

【００１２】次に、図３、４は本発明者らによる具体的
実験結果を示すもので、図３（ａ）は円板状圧電素子１
０の軸中心部に円柱状の錘２３を接着固定したものを示
し、（ｃ）は円板状圧電素子１０の外周側端部に円柱状
の錘２３を接着固定したものを示し、（ｂ）は（ａ）と
（ｃ）の中間位置に円柱状の錘２３を接着固定したもの
を示す。

【００１３】ここで、円柱状の錘２３は圧電素子１０を
固定する固定部材としての役割を果たすものである。ま
た、本実験に供した圧電素子１０の円板形状は直径Ｄ＝
２０ｍｍ、高さＨ＝５ｍｍであり、比（Ｄ／Ｈ）＝４の
ものを用いた。昇圧回路は図８と同一構成である。上記
（ａ〜ｃ）の３つの例について、交流入力電源１３から
入力電圧Ｖ₁ を円板状圧電素子１０に印加して、出力電
圧Ｖ₂ を測定したところ、図４（ａ）、（ｂ）に示す結
果が得られた。

【００１４】図４（ａ）から明白なように、円板状圧電
素子１０の軸中心部に円柱状の錘２３を接着固定した図
３（ａ）のものに比して、他のもの（図３（ｂ）、
（ｃ））は出力電圧Ｖ₂ が大きく低下しており、これに
より図３の円板状圧電素子１０では出力特性を支配する
振動モードに節円および節直径を持っていないことが分
かる。

【００１５】また、錘２３の直径については、図４
（ｂ）に示すように圧電素子１０の直径Ｄに対して２０
％以下の大きさであれば、出力特性は大きく低下しない
ことが判明した。なお、図４（ｂ）の縦軸は錘２３がな
いときの出力を１とし、それに対する比をとっており、
横軸は圧電素子１０の直径Ｄに対する錘２３の直径の比
（パーセント）を示している。

【００１６】本発明者らによる上述した調査、実験検討
事項に基づいて、本発明では、前記目的達成のため、以
下の技術的手段を採用している。請求項１記載の発明で
は、直径Ｄと高さＨの比（Ｄ／Ｈ）が２〜３０の範囲に
設定されている円板状の圧電素子（１０）と、この円板
状圧電素子（１０）の軸方向の両端面に配設された電極
部材（１１ａ、１１ｂ）と、前記圧電素子（１０）の直
径Ｄの２０％以内の円板形状の軸中心部に設けられ、こ
の軸中心部を固定する固定部材（１５）と、この固定部
材（１５）を支持する支持部材（１６）とを備え、 前記
支持部材（１６）は、前記固定部材（１５）により前記
圧電素子（１０）と電気的に接続される回路基板（１
６）であって、 前記固定部材（１５）は、導電材料から
円筒状に形成され、その外径が前記円板状圧電素子（１
０）の直径Ｄの２０％より小さくなっており、前記圧電
素子（１０）の一方の電極部材（１１ａ）の軸中心部と
電気的に接続されるとともに、前記圧電素子の軸中心部
を固定する本体部（１５ａ）を有し、 この固定部材の本
体部（１５ａ）の一端部が前記圧電素子（１０）の一方
の電極部材（１１ａ）に固定され、他端部が前記回路基
板（１６）に固定され、前記圧電素子（１０）が前記固
定部材の本体部（１５ａ）を介して前記回路基板（１
６）に固定されている圧電振動装置を特徴としている。

【００１７】

【００１８】

【００１９】請求項２記載の発明では、請求項１に記載
の圧電振動装置において、前記固定部材（１５）は、さ
らに前記圧電素子（１０）の一方の電極部材（１１ａ）
の軸中心部と電気的に接続された電極板（１２）と、前
記電極板（１２）と電気的に接続され、かつ前記本体部
（１５ａ）の中心穴（１５ｂ）内を電気的に絶縁されて
挿通された導電部材（１３）とを備えることを特徴とす
る。

【００２０】請求項３記載の発明では、請求項１または
２に記載の圧電振動装置において、前記圧電素子（１
０）は、２枚以上並列配置され、この２枚以上の圧電素
子（１０）の間に、この圧電素子（１０）を電気的に並
列接続するとともに、この圧電素子（１０）の軸中心部
を固定する電気的コネクタ（１５０）が介在されている
ことを特徴とする。

【００２１】請求項４記載の発明では、請求項１ないし
３のいずれか１つに記載された圧電振動装置における前
記圧電素子（１０）と、交流入力電源（２１）と、コン
デンサ（２０）と、出力端子（２２）とからなり、前記
圧電素子（１０）と前記コンデンサ（２０）は直列接続
され、この直列回路の両端間に前記交流入力電源（２
１）が接続されており、前記出力端子（２２）の一端は
前記圧電素子（１０）と前記コンデンサ（２０）との接
続線に接続され、他端は前記コンデンサ（２０）と前記
交流入力電源（２１）との接続線に接続されている昇圧
回路を特徴とする。

【００２２】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施例記載の具体的手段との対応関係を示すもので
ある。

【００２３】

【発明の作用効果】請求項１〜４記載の発明によれば、
上記技術的手段を有しているため、圧電素子（１０）の
円板形状の軸中心部（すなわち、円板状圧電素子の振動
が発生しない部分）を固定部材１５を介して支持部材
（１６）に支持、固定できるので、前述した図３（ａ）
に示す円板状圧電素子（１０）固定構造を構成できるこ
とになる。その結果、本発明装置では、図４（ａ）の特
性ａに示す良好な出力特性を達成できる。

【００２４】しかも、ネジ結合部（１５ｂ、１８）の締
めつけ力が圧電素子（１０）に加わることがなく、圧電
素子（１０）は接着または半田付けにより保持固定でき
るので、ネジ締めつけ力による圧電素子（１０）の振動
モード阻害といった不具合も発生せず、一層良好に圧電
素子（１０）を保持固定できる。従って、自動車用のご
とく振動が加わる用途においても、本発明装置は出力特
性に対する信頼性の高い装置となる。

【００２５】上記作用効果に加えて、固定部材（１５）
が円板状圧電素子（１０）と回路基板（１６）との間の
電気的接続を行う役割を兼務しているので、圧電振動装
置全体としても極めて簡潔な構造にまとめることができ
る。さらに、請求項３記載の発明では、２枚以上並列配
置された圧電素子（１０）の間に、電気的コネクタ（１
５０）を介在して、この電気的コネクタ（１５０）によ
り、この圧電素子（１０）を電気的に並列接続するとと
もに、この圧電素子（１０）の軸中心部を固定している
から、圧電素子（１０）を２枚以上並列配置する場合
に、その電気結線および機械的固定を、この電気的コネ
クタ（１５０）の追加で、極めて簡単に行うことができ
る。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を図に示す実施例について説明
する。 （第１実施例）図１は本発明を静電気で作動する駆動装
置（例えば自動車のサンバイザ駆動用静電アクチュエー
タ）の高電圧発生回路（昇圧回路）に適用した場合の実
施例を示す。図１において、１０は円板状の圧電素子
で、本例では円板の直径Ｄ＝２０ｍｍ、高さＨ＝５ｍｍ
であり、Ｄ／Ｈ＝４のものを用いている。圧電素子１０
の材質としては、公知のチタン酸ジルコン鉛（ＰＺＴ、
セラミック材料）が好適である。

【００２７】この円板状圧電素子１０の軸方向両端面に
は、素子１０と同一の大きさを持った銅等の導電材料か
らなる電極層１１ａ、１１ｂが一体に配設されている。
そして、円板状圧電素子１０および電極層１１ａ、１１
ｂの軸中心部には、円板の直径Ｄの２０％より十分小さ
い径、例えば１０％程度の径を有する穴１０ａが形成さ
れている。

【００２８】１２は銅等の導電材料からなる電極板で、
円板の直径Ｄの２０％より小さい径を有する円板状に形
成されている。この電極板１２は、圧電素子１０の上面
側の電極層１１ａの軸中心部に半田付けまたは導電性樹
脂接着材により電気的に接続されるとともに機械的に固
定されている。１３は導線で、電極板１２の中心部に半
田付け部１４にて接続されている。この導線１３は、前
記穴１０ａおよび固定部材１５の本体部１５ａの中心穴
１５ｂを貫通して、回路基板１６の裏面部まで導出され
ている。なお、導線１３は電気絶縁材１３ａで被覆され
ており、固定部材１５の本体部１５ａとの間は電気的に
絶縁されている。

【００２９】前記固定部材１５の本体部１５ａは銅等の
導電材料から円筒状に形成されており、その外径は円板
状圧電素子１０の円板の直径Ｄの２０％より小さく設定
してある。そして、この固定部材１５の本体部１５ａの
一端部（図示上端部）側は細く形成して、前記穴１０ａ
内に挿入されるとともに、導電性樹脂接着材１７により
圧電素子１０の下面部の電極層１１ｂに接着固定されて
いる。この導電性樹脂接着材１７による固定によって、
固定部材１５の本体部１５ａの一端部は圧電素子１０の
下面部の電極層１１ｂに電気的に接続されている。

【００３０】固定部材１５の本体部１５ａの他端部（図
示下端部）には細径のネジ部１５ｃが設けてあり、この
ネジ部１５ｃを回路基板１６に設けた穴１６ａに挿通し
て、ナット１８をネジ部１５ｃに締めつけることによ
り、固定部材１５の本体部１５ａの他端部を回路基板１
６に固定している。ここで、回路基板１６は樹脂製の電
気絶縁材料から成形され、その上面部に銅泊にて電気回
路部１６ｂを形成している。従って、前記ナット１８に
よる固定によって、固定部材１５の本体部１５ａの他端
部は回路基板１６の電気回路部１６ｂに電気的に接続さ
れることになる。

【００３１】なお、高電圧発生回路としての構成は、図
３（ａ）と同じでよいので、説明を省略する。上記構成
によれば、円板状圧電素子１０の円板の直径Ｄの２０％
以内の軸中心部を固定部材１５の本体部１５ａを介して
回路基板１６に支持、固定できるので、前述した図３
（ａ）に示す円板状圧電素子１０固定構造を構成できる
ことになる。その結果、本実施例装置では、図４（ａ）
の特性ａに示す良好な出力特性を達成できる。

【００３２】しかも、ネジ結合部（１５ｂ、１８）の締
めつけ力が圧電素子１０に加わることがなく、圧電素子
１０は接着または半田付けにより保持固定できるので、
ネジ締めつけ力による圧電素子１０の振動モード阻害と
いった不具合も発生せず、一層良好に圧電素子１０を保
持固定できる。従って、自動車用のごとく振動が加わる
用途においても、本発明装置は出力特性に対する信頼性
の高い装置となる。

【００３３】また、固定部材１５の本体部１５ａは円板
状圧電素子１０と回路基板１６との間の電気的接続を行
う役割を兼務しているので、圧電振動装置全体としても
極めて簡潔な構造にまとめることができる。 （第２実施例）図５〜７は円板状圧電素子１０を複数枚
使用するとともに、この複数枚の圧電素子１０を電気的
に並列接続するようにした例であり、その場合に固定部
材１５の本体部１５ａの役割を兼ねる電気的コネクタ１
５０を設けることにより電気配線の簡素化を図ってい
る。

【００３４】すなわち、図５〜７において、固定部材を
兼ねる電気的コネクタ１５０は導電体からなる第１の円
筒状本体部１５１を有し、この本体部１５１の一端部１
５１ａは円板状圧電素子１０の軸中心部の穴１０ａと同
一径となるように細径に形成され、この穴１０ａ内に挿
入可能構成されている（図７参照）。また、本体部１５
１の内周側には樹脂製の電気絶縁部材１５２が一体成形
で充填されており、この電気絶縁部材１５２の中心部に
は導電体からなる中心導体棒１５３が一体成形で保持、
固定されている。この中心導体棒１５３の上端には、図
１、図７に示す導線１３、または後述する別の中心導体
棒１５４を挿入可能とする円形凹部１５３ａが形成され
ている。

【００３５】第１の円筒状本体部１５１の他端部には、
電気絶縁部材１５２を介して、導電体からなる第２の円
筒状本体部１５５が一体に設けられており、この第２の
円筒状本体部１５５は前記穴１０ａと同一径に形成さ
れ、この穴１０ａ内に挿入可能に構成されている（図７
参照）。この第２の円筒状本体部１５５の上端の内周側
には導電体からなる導電バー１５６が配設され、この導
電バー１５６により第２の円筒状本体部１５５と前記中
心導体棒１５３の下端との間が電気的に接続されている
（図６参照）。

【００３６】また、第２の円筒状本体部１５５の内周側
において、導電バー１５６の下方部位には、別の導電バ
ー１５７が配設（図６参照）されており、この導電バー
１５７によって第１の円筒状本体部１５１の他端部と別
の中心導体棒１５４の上端との間が電気的に接続される
ようになっている。上記２つの導電バー１５６、１５７
は図６に示すように、相互に接触しないように配置さ
れ、電気絶縁部材１５２により電気絶縁されて支持され
ている。

【００３７】以上の構成により、部材（１５１、１５
４、１５７）と、部材（１５３、１５５、１５６）の２
つのグループに電気的に独立して配置されており、この
配置構成により、上部の中心導体棒１５３は下方の外周
側に位置する第２の円筒状本体部１５５に接続され、そ
して上部の外周側に位置する第１の円筒状本体部１５１
は下方の中心部に位置する中心導体棒１５４に接続され
るようになっている。

【００３８】中心導体棒１５４の下端は電気絶縁部材１
５２の下面より下方に突出している。 図７は、上記し
たコネクタ１５０を１個用いて、２枚の円板状圧電素子
１０の電気的接続（並列接続）と２枚の円板状圧電素子
１０の軸中心部の固定とを行っている状態を示してお
り、図１と同一または均等部分には同一符号を付してい
る。図７の例では、上方の電極板１２と接続された導線
１３が中心導体棒１５３の上端の円形凹部１５３ａに挿
入され、電気的に接続されている。

【００３９】また、中心導体棒１５４の下端部は固定部
材１５の本体部１５ａの導線１３に電気的に接続されて
いる。これにより、図７に示す＋、−の極性が２つの圧
電素子１０、１０に与えれるようになっている。但し、
圧電素子１０、１０には交流電圧が印加されるので、図
７に示す極性はある一時点における極性を示している。

【００４０】なお、並列接続される圧電素子１０の枚数
を３枚以上に増加する場合には、コネクタ１５０をその
増加する圧電素子１０の間に追加するだけで簡単に対応
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す断面図である。

【図２】本発明の作動説明図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は圧電素子固定構造の
３つの形態を説明する説明図である。

【図４】（ａ）、（ｂ）は本発明による効果を示すグラ
フである。

【図５】本発明の第２実施例を示す要部断面図である。

【図６】本発明の第２実施例を示す要部断面斜視図であ
る。

【図７】本発明の第２実施例の全体組付構造を示す断面
図である。

【図８】圧電素子を用いた昇圧回路の電気回路図であ
る。

【符号の説明】

１０……圧電素子、１２……電極板、１５……固定部
材、１５ａ……本体部、１６……回路基板、１８……ナ
ット、１５０……コネクタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−267740（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−167504（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−338685（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−79193（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭55−117871（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00 H01L 41/09

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直径Ｄと高さＨの比（Ｄ／Ｈ）が２〜３
   ０の範囲に設定されている円板状の圧電素子と、 この円板状圧電素子の軸方向の両端面に配設された電極
   部材と、 前記圧電素子の円板形状の直径Ｄの２０％以内の軸中心
   部に設けられ、この軸中心部を固定する固定部材と、 この固定部材を支持する支持部材とを備え、 前記支持部材は、前記固定部材により前記圧電素子と電
   気的に接続される回路基板であって、 前記固定部材は、導電材料から円筒状に形成され、その
   外径が前記円板状圧電素子の直径Ｄの２０％より小さく
   なっており、前記圧電素子の一方の電極部材の軸中心部
   と電気的に接続されるとともに、前記圧電素子の軸中心
   部を固定する本体部を有し、 この固定部材の本体部の一端部が前記圧電素子の一方の
   電極部材に固定され、他端部が前記回路基板に固定さ
   れ、前記圧電素子が前記固定部材の本体部を介して前記
   回路基板に固定されている ことを特徴とする圧電振動装
   置。
2. 【請求項２】 前記固定部材は、さらに前記圧電素子の
   他方の電極部材の軸中心部と電気的に接続された電極板
   と、前記電極板と電気的に接続され、かつ前記本体部の
   中心穴内を電気的に絶縁されて挿通された導電部材とを
   備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動装
   置。
3. 【請求項３】 前記圧電素子は、２枚以上並列配置さ
   れ、この２枚以上の圧電素子の間に、この圧電素子を電
   気的に並列接続するとともに、この圧電素子の軸中心部
   を固定する電気的コネクタが介在されていることを特徴
   とする請求項１または２に記載の圧電振動装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１つに記載
   された圧電振動装置における前記圧電素子と、交流入力
   電源と、コンデンサと、出力端子とからなり、 前記圧電素子と前記コンデンサは直列接続され、この直
   列回路の両端間に前記交流入力電源が接続されており、 前記出力端子の一端は前記圧電素子と前記コンデンサと
   の接続線に接続され、他端は前記コンデンサと前記交流
   入力電源との接続線に接続されていることを特徴とする
   昇圧回路。