JPH0748574B2

JPH0748574B2 - 圧電素子構造

Info

Publication number: JPH0748574B2
Application number: JP62154386A
Authority: JP
Inventors: 元昭宇多村; 巌横山; 忠後藤; 真小泉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-06-23
Filing date: 1987-06-23
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-05-24
Also published as: JPS64782A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、圧電素子構造の改良に関するものである。

〔従来の技術〕

最近、自動車部品のエレクトロニクス化に伴い、電磁ノ
イズによるシステム誤動作の抑制が新たな技術課題とな
つている。特に、電磁ノイズの発生源として無視できな
い点火系は、従来の点火コイル方式から電子配電点火シ
ステム（Direct Distributerless Ignition System,DI
S）に移行する趨勢にある。これを実現する点火機構と
して、レーザ点火，プラズマ点火，コンデンサ放電点火
及び圧電点火の諸方式が提案されているが、いずれの方
式も実用の域には達していない現状である。そして、本
発明は上記の分類のうち、圧電点火方式も適用される圧
電素子に関連するものであり、この分野の技術を以下に
説明する。

特許第970661号（特公昭54−1932号）は、圧電子の打撃
子を動作させて高圧を発生し、電極間に放電を起こさせ
るものである。この方式は、１回の打撃により燃料ガス
に着火しようとするものであるが、放電による火花の接
続時間が10μｓと、極端に短い（通常の点火コイル方式
では500μｓ）ため、液体燃料を気化した燃料ガスの場
合点火が効果的に行えない。また、機械的な打撃方式で
は、１回の着火可能期間に多数回打撃することは困難で
ある。さらに、素子自体に機械的衝撃が加わることから
短寿命と云う実用上の隘路がある。また、特開昭60−24
7061号は、レーザ光を光吸収体に供給し、光吸収体に生
じた熱歪（応力）を圧電素子に伝えて高圧を発生するも
のである。この方式はエネルギーの供給媒体が光である
ため、電磁ノイズの影響を受けにくいと云う長所があ
る。しかし、圧電素子を熱的に隔離する必要から圧電素
子と熱吸収体との間に断熱体を介在させる必要がある
が、これが、熱吸収体から圧電素子への力の伝達を阻害
する要因となつた。このため、十分な電圧出力が得られ
なかつたり、応答に時間遅れが生じると云う、実用化上
の問題があり、即ち、従来の圧電素子において高い出力
電圧が得られないと云う欠点があつた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記した如く従来の技術においては、単一の材料からな
る圧電素子を用いており高い出力電圧が得られず、特性
の異なる圧電素子を組み合せると共に反射体を組み合せ
たユニツトを複数直列に配列し構成することについて配
慮がなされず、出力電圧が低いと云う問題を有してい
た。

本発明は上記の状況に鑑みなされたものであり、高い出
力電圧が得られる圧電素子構造を提供することを目的と
したものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、圧電素子を用い応力を加えて電界を生じさ
せもしくはこの逆に電界を印加し応力を生じさせるもの
において、単位強さの応力が印加されたとき発生する電
界強度が大きい材料からなり台座上に一方の端面の底面
が固着され該端面が端子に接続された第１振動子と、単
位強さの電界が印加されたとき発生する応力が大きい材
料からなり上記第１振子の他方の端面の圧着面に液膜を
介在し一端の端面が圧着されている他端面がリード線を
介し周波数発振器に接続された第２振動子と、該第２振
動子の上記他端面に固着されて内部で弾性波を反射する
反射体とから電圧増幅器が構成されている圧電素子構造
により達成される。

〔作用〕

後述の実施例の説明中にも記載されているように、圧電
応力定数が大きい第２振動子２に電圧を入力すると、高
い応力が発生しその圧力が液膜４を介して圧着された第
１振動子１に伝えられる。第１振動子１は電圧歪定数が
大きい素材から形成されているので、伝達された圧力に
より大きな電界が発生し高圧電を得ることができる。そ
して、入力電圧の周波数を上記第２振動子２及び第１振
動子１からなる複合素子の共振周波数に一致させると最
大の出力電圧が得られる。また、電圧の出力波形は入力
波形とほぼ相似であるから、入力波形の整形により放電
接続時間を自由に制御できるので、燃料ガスへの確実な
着火を保証できる。さらに、交番電界により放電を繰り
返えすには適切な周波数の電圧を得る必要があるが、反
射体を設置することにより、望ましい放電特性が得られ
るように圧電子の共振周波数を設定できる。

〔実施例〕

以下本発明の圧電素子構造の実施例を点火装置の場合を
用い第１図，第２図により説明する。第１図は縦断面
図、第２図（イ）は第１図の圧電素子部の詳細図、
（ロ）は（イ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図におい
て、１は単位応力が印加されたとき発生する電界強度が
大きい材料からなる受波器の圧電素子の第１振動子、２
は単位強さの電界が印加されたとき発生する応力が大き
い材料からなる送波器の圧電素子の第２振動子、３は端
子を構成するプラグ端子、４は液膜、５は反射体、６は
リード線、７は周波数発信器、８は筺体、９は絶縁物、
10は台座、21は電極、22はリード線である。そして、第
１振動子１は台座10の固定されプラグ３と導通されてい
る。第１振動子１の上方に第２振動子２が配設され、第
1,第２振動子1,2間には液膜４が介在されており、ま
た、第２振動子２の上面には弾性波が内部で反射する反
射体５が接着され反射体５の上面は自由端となつてい
る。第２振動子２の上面にはリード線６の一端が接続さ
れリード線６の他端は周波数発振器７に接続されてい
る。また、第２振動子２の下面は電極21とリード線22を
介して点火プラグ３の筺体８と同電位に保持されてい
る。第１振動子１、第２振動子２はそれぞれ絶縁物９に
よつて囲まれている。

上記の構造において、第２振動子２の端面に周波数発信
器７から交番電界を作用させると、圧電効果により第２
振動子２内に機械的振動が発生し液膜４を介して第１振
動子１の端面に交番力を作用させる。第１振動子１は他
端が台座10に固定されているので、上記の交番力は第１
振動子１の内部に応力波を生ぜしめ、電気音響変換によ
り電場を誘起する。第１振動子１、第２振動子２に縦型
振動子の縦効果、あるいは厚み振動子を用いた例につい
て以下に説明する。この場合、各振動子の変位の方向は
振動子の厚さ方向のみとなる。

第３図は第１図の点火装置の圧電子の概念説明図であ
り、発生応力と電界の関係は（１），（２）式で表せ
る。

第２振動子2:T₂＝e₂ _２ …（１）第１振動子1:E₂＝g₁T₁ …（２）但し、₂:第２振動子２の厚み方向電界強度（入力） T₂:第２振動子２の液膜４側端面に生じる応力 T₁:液膜４を介して第１振動子１の端面に作用する応
力、 E₁:応力T₁により第１振動子１内に形成される電界強度
（出力） e₂:圧電応力定数、 g₁:圧電歪定数、液膜４が非圧縮性流体とみなせるほど十分に薄い場合に
は、第２振動子２によつて発生した応力T₂に減衰せずに
第１振動子１の端面に作用する即ち、T₂＝T₁、と見なせ
る。この場合に、入力電界ち（_２）と出力電界（E₁）
との関係は（１），（２）式より（３）のように表せ
る。

E₁＝e₂g₁ _２ …（３）このため、交番電界の増幅率は、e₂とg₁の積e₂g₁で表す
ことができる。第２振動子２として圧電応力定数ｅが大
きく第１振動子１に圧電歪定数ｇが大きい材料を選択す
ることにより増幅率を大きくでき、点火プラグ端子３間
に高い電位差を発生させることができる。

一方、与えられた入力電圧に対して、第２振動子２内の
内部に高い電場E₂を形成するには、第２図に示す圧電素
子の第１・第２振動子1,2の概念図を示す第３図の厚みl
₂を薄くすればよい。この観点から第２振動子２には厚
み振動子が好適である。逆に第１振動子１の端子から高
い電圧出力を得るには、第１振動子１の厚みを増した方
がよく、第１振動子１には縦型振動子が好適である。第
３図に示した寸法l₁,l₂を用いると、電圧の増幅率V₁/V₂
は次の（４）式で与えられる。

また、第１振動子１と第２振動子２とからなる振動系を
効率よく動作させるには、両振動子の機械的インピーダ
ンスを整合させる必要がある。本実施例においては、入
力−出力比が最大となる共鳴周波数の近傍で使用する。
しかしながら、組成と形状の異な振動子間では固有振動
数に相違があり、特に本実施例のように、第１振動子１
と第２振動子２の厚み比を積極的に変えた振動系ではそ
の相違し非常に大きい。このように、第２振動子２の固
有振動数が第１振動子１の固有振動数値よりもかなり大
きい場合、第２振動子２で生じた応力変動に第２振動子
１が追随できず、力が有効に伝達されないことになる。

本実施例ではこの点を改善するために、反射体５を第２
振動子２の上面に接着することにより、両振動子の機械
的インピーダンスを整合させ力を有効に伝達するよ馬に
している。その原理を第４図の振動モード説明図により
説明する。第４図（イ）は反射体５がない場合、（ロ）
はある場合である。図において、11は床面、12は上面、
13は第１振動モード、14は第２振動モード、15は圧着
面、Ｚは高さの座標である。そして、第１振動子１の底
面11は固定端、第２振動子２の上面12は自由端である。
この場合、電気的歪（電界Ｅ）、機械的歪（応力Ｔ）の
基本振動モードは、上面に節、下面に腹を持つ1/4波長
の形となる。今、この振動モードの振動数と等しい周波
数の入力電圧を第２振動子２の両端面間に作用させたと
き、第２振動子２と第１振動子１との接合する圧着面15
において第１振動子１に伝達される圧力Ｐの大きさは、
その位置でのモードの振幅16に等しい。これより、反射
体５をつけた方が明らかに大きな圧力を作用させること
ができることがわかる。

次に、断要の固有振動数を達成するための反射体５の厚
みについて第５図の２つの連成モード説明図、第６図に
連成固有値及び個々の固有値の関係説明図を用いて述べ
る。第５図（イ）は１次（基本）モード、（ロ）３次モ
ードであり、第６図（イ）は振動子をばねマスモデルに
置き換えた説明図、（ロ）は連成固有値と個々の固有値
との関係説明図である。一般に、固有振動数の異なる２
つの振動子を結合すると、個々の振動子の基本振動数に
対応して、それとは異なる２つの固有振動数が現れる。
第５図（イ）は１次モード17を、（ロ）は３次モード18
を示している。第１振動子１から高い電圧出力を得ると
いう観点からは、（ロ）の1/4波長の一次モード17の固
有振動数を利用するのが得策である。何故なら、出力電
圧は電界分布のＺ方向積分量として与えられるから、出
力電圧の大きさは矢印部分の面積29に比例するが、３次
モード18では、第１振動子１の内部で位相に反転（電場
の向きが逆転する）があるので出力電圧は小さくなるか
らである。そこで、1/4波長の１次モード17となる連成
固有振動数について、反射体５の厚みl₂との関係を検討
する。

第６図は振動子をばねマスモデルで置き換え、連成固有
値と、個々のばねマス系の固有値λとマスの比の関係
を表わしたものであり、連成振動系の固有値は（５）
式で与えられる。

（−１）（−ξ）＝Ｃ_ｋ …（５）但し、：連成固有値（≡λ／λ_１） ξ：個々の振動系の固有値の比（≡λ₂/λ_１） λ_ｉ：固有値（＝k₁/m_ｉ＝ｗ_i ^２） ω：角周波数（rad） k:ばねの強さ m:マスＣ_ｋ：ばねの強さの比（＝k₂/k₁）尚、記号の添字のサフイツクスは、１は第１振動子1,2
は第２振動子２の場合を示すものとする。即ち、λ₁,k₁
は第１振動｜子｜、λ₂,k₂は第２振動子２の場合を示
す。また、マスの比Ｒ（＝m₂/m₁）とξとの関係は
（６）式で与えられる。

Ｒ＝Ｃ_ｋ／ξ …（６）第６図（ロ）の曲線19は（５）式で表わされる２つの固
有値のうち、λ＜λ₁,λ_２のもの、即ち、第５図に示し
た1/4波長の１次モード17の固有値を表している。ま
た、曲線20は（６）式の関係を表す。この２つの曲線を
用いると、所要の振動数を実現する反射体５の質量m
₂（第１振動子２を含む）、従つて、厚みl₂を求めるこ
とができる。その手順を図中矢印で示す。即ち、振動数
に対応する固有値λの値を用いて（≡λ／λ_１）を算
出する。次に、直線＝_０と曲線19との交点位置での
横軸の座標（ξ＝ξ_０）より曲線20の値、R₀（≡m₂/
m₁）を求めると、m₂＝R₀・m₁の関係から反射体５の質量
m₂が求まる。反射体５の長さl₂は、反射体５の横断面積
Ｓと密度ρを用いて、l₂＝m₂（SP）より計算できる。ま
た、反射体５の厚みを計算する具体的手順を第７図のブ
ロツクダイヤフラムのフローに示す。

第８図は第１図の装置の圧電素子回路の動作時の入出力
波形説明図である。第２図に示したように、第１振動子
１の上面と第２振動子２の下面とは同電位に保持されて
おり、入力電圧23は、任意の時刻にこの電位より高い値
を持つ正弦波とする。このとき、端子25間に現れる出力
電圧波形24は入力電圧波形23の波形と同位相の増幅され
たものとなる。本実施例に示す入力波形は内燃機関の点
火プラグに適用された場合を示す。即ち、シリンダ内の
ピストン位置と整合した点火時期に、時間幅t₁の間、高
周波が印加されている。放電は、波形の頂部28を示す時
刻に時間周期t₂で繰り返えし発生する。時間幅t₁はガソ
リンを燃料とする自動車の場合で500μｓ、時間周期t₂
は圧電放電において火花が接続する時間10μｓに比べて
数倍以上長い時間幅である必要がある（放電後の電圧回
復に要する時間）。従つて、圧電素子の固有振動数ｆ
は、ｆ〜1/t₂より10〜20KHz程度である必要があり、こ
の場合には時間幅t₁の間に放電を５〜10回発生させるこ
とができる。

次に、具体的な材料について述べると、第１振動子１に
は、上記したように圧電歪定数が大きい歪波器としての
特性を持つ縦型振動子の縦効果を有するものが好適であ
り、そのような材料としては一般に呼称しれているADP
（商品名）を選択する。また、第２振動子２には圧電応
力定数が、大きい送波器としての特性をもつ厚み振動子
が好適であり、そのような素材の代表としてチタン酸バ
リウム磁器がある。このような組合せのとき、（４）式
中の各定数は、 e₂＝50×10⁵｛（dyne/cm²）／（esu/cm）｝ g₁＝0.177｛（mv/cm）／（dyne/cm²）｝また、寸法を l₁＝10mm,l₂＝1mm に選ぶと、（４）式よりこのように、V₁/V₂、30が得られる。そして、第９図に
示すように圧電素子ユニツト27を複数値列に接続する
と、全体の増幅率Ｓは（８）式のようになる。

Ｓ＝（V₂/V₁）^ｎ …（８）但し、n:ユニツトの数この場合、ｎ＝２とすると、（７），（８）式より、Ｓ
＝30²＝900となる。点火プラグでの放電発生電圧は約15
KVであるので、V₁＝15000Vとすると、V₂＝V/S＝17Vと、
低電圧で済む。即ち、リード線６の電圧は低いので、他
の電子回路への電磁ノイズ源にはなり得ない。

また、チタン酸バリウム磁器の圧電性能は130℃未満で
あるが、第２振動子２として用いるので外気温にほぼ等
しい温度で使用され問題はない。他方、第１振動子１は
耐熱，耐絶縁性にすぐれている必要があるが、上記した
ADPはこれらを満足する素材である。また、第１振動子
１と第２振動子２との間に介在する液膜４としては、金
属程度に電気をよく通す液体を仮定できるなら、第２図
に代る構造として縮断面図を示す第10図（イ）及び
（イ）のＢ−Ｂ矢視部分の断面を示す（ロ）に示される
ように振動子間の接続構造が簡単になり動作の信頼性が
向上する。即ち、第２図に示して電極21とリード線22が
不要になり、絶縁物９に液膜４と筺体８とを電気的に接
続させる孔28を設けるのみでよい。

このように本実施例の圧電素子構造は単位強さの応力が
印加されたとき発生する電界強度が大きい材料からなる
第１振動子と、周波数発振器に接続され単位強さの電界
が印加されたとき発生する応力が大きい材料からなる第
２振動子と、第２振動子に固着され弾性波が内部を反射
する反射体とからなる電圧増幅器を複数個直列に配列形
成したので、十分に高い出力電圧が得られる。また、点
火装置に適用すると電磁ノイズを排除できると共に点火
の応答性がよく効率よく着火ができる。

〔発明の効果〕

以上記述した如く本発明の圧電素子構造は、十分に高い
出力電圧が得られる効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電素子構造の実施例の縦断面図、第
２図（イ）は第１図の圧電素子部の詳細図、（ロ）は
（イ）のＡ−Ａ矢視断面図、第３図は第１図の装置の概
念説明図、第４図は第１図の装置に反射体有無と振動モ
ードとの関係を示し（イ）に反射体有無と振動モードと
の関係を示し（イ）は無しの場合、（ロ）は有りの場合
のそれぞれの説明図、第５図（イ）は第４図（ロ）の１
次モード説明図、（ロ）は同じく３次モード説明図、第
６図（イ）は同じく振動子をばねマスモデルに置き換え
た説明図、（ロ）は同じく連成固有値と固々の固有値と
の関係説明図、第７図は同じく反射体の厚みを計算する
フロー、第８図は第１図の装置の圧電素子回路の動作時
の入出力波形説明図、第９図は第４図（ロ）のユニツト
を複数直列接続した説明図、第10図（イ）は液膜が電気
的導通材の場合の第２図の代替構造の説明図、（ロ）は
（イ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。１……第１振動子、２……第２振動子、３……プラグ端
子、４……液膜、５……反射体、６……リード線、７…
…同波数発信器、10……台座、27……ユニツト。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小泉真茨城県日立市森山町1168番地株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (56)参考文献特開昭63−259164（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子を用い応力を加えて電界を生じさ
せもしくはこの逆に電界を印加し応力を生じさせるもの
において、単位強さの応力が印加されたとき発生する電
界強度が大きい材料からなり台座上に一方の端面の底面
が固着され該端面が端子に接続された第１振動子と、単
位強さの電界が印加されたとき発生する応力が大きい材
料からなり上記第１振動子の他方の端面の圧着面に液膜
を介在し一端の端面が圧着されている他端面がリード線
を介して周波数発信器に接続された第２振動子と、該第
２振動子の上記他端面に固着されて内部で弾性波を反射
する反射体とから電圧増幅器が構成されていることを特
徴とする圧電素子構造。
【請求項２】上記電圧増幅器が複数個直列に配列されて
いる特許請求の範囲第１項記載の圧電素子構造。