JPS59175531A - 圧電継電器 - Google Patents

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】 本発明は電圧の印加により歪を発生する圧電素子を用い
た圧電継電器に関し、詳述するならば複数個の圧電素子
を積層して縦効果歪を増加させる積層形圧電駆動体を接
点開閉駆動源とする圧電継電器に関する。

一般に、圧電素子は電気音響変換素子及びフィルタなど
振動素子として実用に供されている電気エネルギ・機械
エネルギ変換素子であるが、近年非振動状態で数μｍ〜
数１００μｍの微少変位を電気的に制御する駆動体にこ
の素子を応用することが推進されている。周知のとおり
、圧電率子に電界が印加されると圧電気逆効果により機
械歪及び応力を生じ圧電素子は変位する。ここで、電界
と平行方向に発生する圧電素子の機械歪は縦効果歪、且
つ電界と垂直方向に発生する機械歪は横効果型といわれ
ている。この縦効果歪は一般に横効果型より大きく、従
って縦効果歪を利用する方がエネルギ変換効率は高い。

一方、発生する歪の大きさは圧電素子構成材料によって
異るが、加えられる電界強度に大きく依存する。横効果
型を利用した圧を駆動体は一定の印加電圧でも電界と垂
直方向の寸法に比例した変位量が得られる。しかしなが
ら、縦効果歪を利用する圧電駆動体では印加電圧を一定
にして歪発生方向の寸法を増加すると電界強度の低下を
招くため変位量は大きくならない。従って、縦効果歪利
用の圧電駆動体の場合、大きな変位量を得るには印加電
圧全増大させて電界強度を補償する必要がある。しかし
、圧電駆動体を駆動する半導体スイッチング素子などか
ら成る駆動制御回路は低耐圧回路であるため印加電圧の
高さは必然的に制限される。これは、縦効果歪を生じる
圧電駆動体の実用化において大きな問題となっている。

上述したことにより、これまで圧電駆動体を接点開閉駆
動源とする圧電継電器としては、特開昭５５−１１５２
３５号公報等に開示されるようなもの、すなわち横効果
歪を生じる圧電素子より成る圧電駆動体を用いたものが
多数提案されるに留まっている。

ここで、従来の圧電継電器の構成例について、図面を参
照して説明する。

まず、第１図（ａ）を参照して横効果型別用圧電駆動体
の一構成例としてバイモルフ振動子について説明する。

バイモルフ振動子１ｏは二枚の圧電素子１１ａ、ｌｌｂ
を三枚の電極１２ａ、１２ｂ。

１２ｃで伏み貼合せ、電極１２　ａ　＋　１２　ｂ　＋
　１２　Ｃを並列接続した端子１３　ａ　ｔ　１３　ｂ
を駆動電圧入力端子として設は圧電駆動体を成し、符号
■・○の間で電界Ｅを生じるように電圧を端子１３ａ　
１１３ｂに印加するときは、分極Ｐを有する圧電素子１
１ａ　、ｌｌｂが電界Ｅに垂直に、又分極Ｐの向きとの
関係で一方は伸長し且つ他方が縮少する矢印方向に歪み
、従ってバイモルフ振動子１０は第１図（ａ）における
破線のように下方向に湾曲する。

すなわち、分極及び電界の方向に対し垂直方向に変位す
る圧電素子の横効果歪を利用したものである。

次に、このようなバイモルフ振動子を使用した従来の圧
電継電器の一例を第１図（ｂ）を参照して説明する。第
１図（ｂ）において、バイモルフ振ａ子ｉ。

の一端は基板１４に固着され、他端は可動接点１５を備
え、この可動接点１５はリードｆｆＭ１５１によって出
力端子１５１に接続される。固定接点１６は一１４ｉｅ
基板１４に固着されたリードばね板１６Ｓの他端に、前
記可動接点１５に対峙して設けられ端子１６ｔによって
電気回路に接続される。以上の構成により、端子１３ａ
、１３ｂに電圧を印加するときはバイモルフ振動子１０
は第１図（ｂ）において矢印方向に湾曲し、可動接点１
５が固定接点１６に接触押圧され、電気回路として端子
１５ｔ−リード＆！１５７−可動接点１５−固定接点１
６−リードばね板１６ｓ　一端子１６ｔの回路を閉じ、
又電圧が除去されるときは前記電気回路は開く。

更に、従来の圧電継電器の他の構成例として第２図に記
載のものが提案されている。第２図において、圧電駆動
体２１及び２２はそれぞれ厚さ方向に分極され、且つ両
面に電極（図示省略）を有したものであり、電圧の印加
により長さ方向に伸ひる横効果利用の四角柱状圧電駆動
体である。一端が固定支持された圧電駆動体２１の他端
が可動接点ばね２３に固着され、この可動接点ばね２３
の一端に可動接点２５が固定され、且つ他端に前記圧電
駆動体２１の伸縮による可動接点２５の動きを拡大する
と共に可動接点２５に対向する固定接点２６．２７に接
触したときの押圧力を得る後述の付勢手段が接合されて
いる。この付勢手段は、第２図では圧電駆動体２１と可
動接点ばね２３を挾んで逆方向に伸縮する向きで近接し
て配置された別の一つの圧電駆動体２２が一端を可動接
点ばね２３と他端を固定支持部側となる外箱２９とに固
着されて構成される。平常時は可動接点はね２３の根元
は水平状態にあり、折曲けた部分近傍において可動接点
２５が同定接点２７に接触している。

圧電駆動体２１及び２２にそれぞれ電圧を印加し両圧電
躯動体が長さ方向に伸びるときは、圧電部　　　゛動体
２１及び２２の自由端はそれぞれ下方向及び上方向に移
動する。この自由端に接合された可動接点はね２３が圧
Ｎ、駆動体２１及び２２の自由端の中点を通り紙面に垂
直な軸を中心として時計方向に回転する。可動接点２５
は可動接点ばね２３の先端で上記の動きが拡大され、固
定接点２７から離れて固定接点２６に切換え接触する。

これにより、電気回路の切換えがなされる。

従来の圧電継電器は以上説明したように圧電素子の横効
果歪を利用したものであるが、可動接点の駆動にバイモ
ルフ振動子を使用した構成の圧電継電器は、バイモルフ
振動子の欠点である二枚の圧電素子の伸縮による湾曲が
もたらすエネルギの消費がエネルギ変換効率を低下させ
、従って可動接点と固定接点とが接触したとき接点押圧
力が小さいと共に可動接点の移動行程が短かく、接点が
開離したときの間隙も大きくとれないため、この解決策
として大形化は免れ得ないという問題がある。この問題
のうち可動接点の移動行程については、第２図記載構成
の圧電継電器により解決できるが、圧電素子の横効果歪
による機械エネルギの不足は接点押圧力の不足として残
る。

本発明の目的は、既述した縦効果歪の圧電素子利用に関
する問題点すなわち印加電圧の増大を伴うことなく歪量
を増加できるようにすることを複数個の圧電素子を電界
方向に積層した構成の圧電駆動体を使用することにより
解消し、この積層形圧電駆動体の利点を独創的な接点押
圧力拡大機構により一層有利に用いた圧電継電器を提供
することにある。

本発明による圧電継電器は、複数個の圧電素子をこれら
の相互間に各内部電極が位置するように一体的に積層し
、電界によりこれら圧電素子が積層方向に機械歪を生じ
る圧電駆動体と；この圧電駆動体を挾持し、且つ両端部
に対向面を有する挟持体と；一方の端部を二枚のほぼ平
行′な薄板と成し、且つ対向配置の固定接点と接触・開
離する可動接点部を他方の端部に有する可動体とを備え
；前記圧電駆動体の積層方向の両端面を前記挟持体で挾
み押え、且つ前記二枚の薄板のそれぞれを前記挟持体の
対向面を成す両端部にそれぞれ連結したことを特徴とす
る。

ここで、本発明による圧電継電器に用いられる積層形圧
電駆動体について説明する。圧電素子の横効果とによる
歪の大きさは同一の材料で比較したとき略ポアソン比、
つまり約１：３となる。これを圧電素子に蓄えられる機
械エネルギで比較すれば歪量の２乗、すなわち１：９の
比率となる。

従って、逆に所要のエネルギを蓄積するのに必要な圧電
素子の体積は上の比の逆比、つまり９：１になる。すな
わち、同じ機械的エネルギを得るために必要な圧電素子
の体積は縦効果歪を利用する場合が横効果歪を利用する
ときに比較して１／９になる。又、圧電素子を積層する
ときは、電圧印加による歪量が積層の数だけ倍加し、一
方向部電極の間隔は通常のチップコンデンサ技術により
数１０ミクロン程度にすることができるので電極間距離
が狭くなるだけ低電圧で駆動可能な縦効果歪が利用でき
る圧電駆動体を実現できる。

第３図は積層形圧電駆動体の外観及び内部電極形状の一
例を示したもので、縦及び横の寸法がそれぞれ３間及び
２■、長さが９ｍｍの直方体でマグネシウム・ニオブ酸
鉛及びチタン酸鉛をモル比で９対１の割合で含有する圧
電素子３１と白金の内部電極３２及び３３がそれぞれ交
互に積層された構造になっている。又、各内部電極の形
状は圧電駆動体の積層方向と垂直な断面に等しい。次に
、圧電駆動体の側面に導出されている各内部電極３２及
び３３は一層おきにそれぞれガラスの絶縁体３２１及び
３３１で外部に電気的に絶縁され、これを覆った銀ペー
ストの外部電極３２０及び３３０が内部電極３２及び３
３をそれぞれ電気的に接続し、二つの電極端子３２２及
び３３２をとり出している。このような圧電駆動体は電
極間の電界分布が均一であるため変位分布も均一とな９
積層面の全域において局号的な応力の集中が起らない。

従って圧電駆動体の変位量が圧電素子固有の歪量と゛対
応しただけの変位を得ることができ、又破壊に対する強
度が著しく向上する。

更に、この内部電極の間隔は２３０μｍであり、上記試
料に対する実測では２３０Ｖの印加電圧で７．８μｍの
変位を記録している。一方、既述のように、チップコン
デンサ技術が内部電極間隔を数１０μｍ程度にできるの
で、上記と同等の電界強度を得るための印加電圧は数１
０Ｖ程度でよく、従って通常の屋内低電圧電源の使用が
可能となる。

次に横効果歪及び縦効果歪を生じる圧電素子をほぼ同じ
大きさの圧電駆動体における機械エネルギについて比較
してみる。第４図（ａ）は１７．４　Ｘ　５．７ｘ　Ｏ
，１７（ｍＪ　）の圧電素子を二枚ルねたバイモルフ振
動子による圧電駆動体、又第４図（ｂ）は９×３×２（
＊７Ｍ）の縦効果歪利用の積層形圧電駆動体を長さ方向
に二段型ねしたとき、それぞれの変位（ｘ）・応力（ｐ
）関係結果を示すものである。又、機械エネルギＥは次
式によって与えられる。

Ｅ＝±ＰＧｘ ここで、Ｇ　＝　９．８　ｍ　／　ｓである。

機械エネルギの比較は変位（Ｘ）と応力（ｐ）との積に
関係するので、第４図（ａ）及び（ｂ）から次の計算式 ％式％ によりほぼ７６０倍の縦効果歪を利用した積層形圧電駆
動体が得られたことになる。

以下、本発明の圧電継電器の実施例について図面を参照
して説明する。まず、第５図（ａ）は本発明の圧電継電
器の一実施例を示す外箱の上部を外したときの斜視図、
第５図（ｂ）は圧電〆駆動体が伸長したときの可動挟持
部材の動きを示した側面図である。第５図（ａ）及び（
ｂ）において、絶縁体の基板５゜に固定挾持部材５２、
並びに可動接点５５に対向した固定接点支持部材５６及
び５７が固設され、各接点は基板５０を貫通する出力端
子に接続される。圧電駆動体５１は印加電圧用入力端子
に接続され、且つ印加電圧によシ伸縮する長さ方向の両
端をそれぞれ固定挾持部材５２及び可動挾持部材５３に
より絶縁材を介して挾持された一体的構造を成す。又一
端に可動接点５５を持つばね板５４の他端部は所定の短
い間隔をもってはね板５４にほぼ垂直にそれぞれ反対方
向を向いた一体構造の薄板を有し、一方は固定挾持部材
５２に、又他方は可動挟持部材５３にそれぞれ固着され
る。

次に動作について説明する。第５図（ｂ）において、圧
電駆動体５１に電圧を印加するとき矢印Ａの伸長がある
。可動挾持部材５３は圧電駆動体５１と一体化された構
造であり、従ってばね板５４はＢ点で可動挾持部材５３
の運動方向と等しい矢印方向に固定挟持部材５２に固着
された０点に対して引張られる。このＢ点の移動は、可
動接点５５の位置をＤ点としたとき他端にそれぞれＢ点
及び０点を持つＢ′点及び０１点のはね板上で、可動接
点５５がはＦＥ（Ｄ−Ｃ’の長さ／Ｂ／−Ｃ’の長さ）
の割付で増幅されて移動し、且つ速度も上昇する。従っ
て、可動接点５５は増幅された行程及び速度をもって矢
印方向に移行運動し、固定接点支持部材５６から離れ、
固定接点支持部材５７に押接し、電気回路の開閉が実現
する。本実施例によれば、可動接点が圧電素子の小変位
変化に対して増幅された大きな移動行程を持ち、従って
可動接点を先端に有するはね板の弾性により十分な所定
の接点押圧力が得られる。

次に第６図（ａ）及び（ｂ）に、第５図とは別の実施例
になる圧電継電器を示す。第６図（ａ）及び（ｂ）にお
いて、駆動力の大きい縦効果歪を生じる圧電駆動体６１
はＵ字形の固定挾持部材６２の内部に配置され、この底
面と可動挾持部材６３の底面とに挾持され固定挟持部材
６２と可動挾持部材６３とを連結した連結薄板６２１及
び６２２の張力をもって押圧されると共に固定挟持部材
６２に固着されている。可動挾持部材６３は先端に可動
接点６５を有する可動接点支持部材６４と接続されると
共に圧電駆動体６１の長さ方向と可動接点６５とを含む
平面に垂直な面で二つに分割されたそれぞれ可動挾持体
６３１及び６３２を有する。可動接点支持部材６４は可
動接点６５を先端に設けた可動接点アーム６４３と、こ
のアーム６４３を二つの可動挾持体６３１及び６３２の
それぞれと接続するほぼ平行に配設されたアーム薄板６
４１及び６４２からなる。又、固定挾持部材６２と共に
圧電駆動体６１への印加電圧用入力端子６１を並びに可
動接点６５・同定接点６６及び６７と接続される出力端
子６５ｔ、６６ｔ、６７ｔが共に基板６ｏに固定される
。

次に第６図に示される圧電継電器の作用について説明す
る。圧電駆動体６１が印加電圧により伸びるとき、可動
挾持体６３１及び６３２は自己相互で対向する面の部分
で上方に押される一方、連結薄板６２１及び６２２の連
結部で固定され“Ｃいるので図示されるように外側に傾
斜運動し、アーム淘板６４１及び６４２をそれぞれ右及
び左に押す。可動接点アーム６４３は一端で右左逆方向
の応力を受けるため他端の可動接点６５を右から左へ移
動はせ、固定接点６６から離れ、固定接点６７に接する
。本実施例では、可動接点の移行運動による接点衝突の
衝撃緩和のため固定接点６６及び６７は導電体の板はね
の先端部に設けられ、この叛はねの他端をそれぞれ出力
端子６６１及び６７１とし基板６０に固定される。

上記実施例では、挟持部材・可動接点支持部材及びこれ
らの間を接続する薄板をそれぞれ別部材として表現した
が、一つの厚さく加工後は薄板部分の幅）を有する材料
を打抜・放電等により継目なしの一体加工とするときは
部材の強度及び精度を上けることができるので、駆動力
の大きな積層形圧電駆動体の応用範囲は広く設計を容易
にする。

又、接点衝突の緩和には可動接点支持部材及び固定接点
支持部材の少くとも一方の一部に弾性を有する材料を使
用することで避けることができ、他方はね板と説明した
部材も接触相手が弾性体を含むときは剛体としても同じ
効果がある。上記説明では特に触れていないが電気回路
に対しては機能発揮のため所定の絶縁が施され、接点の
出力端子への接続は表面配線等を含む導電線による以外
、導電体による接点支持部材がそのまま出力端子を兼ね
ることもできる。

以上説明したように、本発明によれば、エネルギ変換効
率の高い縦効果歪を生じる圧電素子を積層し接点開閉駆
動源とする圧電駆動体を、一端部に可動接点を有する可
動体の他端部が連結される挟持体に組込み、且つこの圧
電駆動体による歪量を上述したような独創的な拡大機構
により増大させることにより、従来の縦効果歪利用の圧
電素子駆動電圧より一層低電圧で動作させることができ
。

且つ可動体の駆動力及び接点の押圧力の増加、更には小
形化を図った圧電継電器が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はバイモルフ振動子の構造により圧電素子
の横効果歪を説明する作用原理図、第１図（ｂ）はバイ
モルフ振動子を使用した従来の圧電継電器の一例を示す
断面側面図、第２図は圧電素子の横効果歪を利用した従
来の圧電継電器の一例を示す断面側面図、第３図は本発
明に使用した積層形圧電駆動体の斜視図、第４図（ａ）
及び（ｂ）はそれぞれ横効果歪利用の圧電駆動体及び縦
効果歪利用の積層形圧電駆動体により示される変位・応
力特性図、第５図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の
圧電継電器の一実施例を示す斜視図及び可動挟持部材の
動きを説明する側面図、第６図（ａ）及び（ｂ）ｕそれ
ぞれ本発明の別の実施例を示す断面側面図及び可動接点
を備える部材と圧電駆動体ｆ！！：迭持する部材との一
体化栴造を示す斜視図である。 ３１・・・・・・圧電素子、５０．６０・・・・・・基
板、５１゜６１・・・・・・圧電駆動体、５２，６２・
・・・・・固定挾持部材（挾持体）、５３’、６３・・
・・・・可動挾持部材（挟持体）、５４．６４・・・・
・・可動接点支持部材（可動体）、５５．６５・・・・
・・可動接点、５６．５７・・・・・・固定接点支持部
材、６６．６７・・・・・・固定接点・身し　　／　　
昌づ　６７ノ 第　１７　（ｂ） ／、５−ｌ　　　１６Ｊ 第　２′６ 心４間（ｌｌ） １Ｐ（／戸ジ 第４図（ｂ） 稠岬シ　　４虻　　　■コ　　（１１２）４顎　　３−
ｌコ　（ｂ） ３

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数個の圧電素子をこれらの相互間に各内部電極が位置
   するように一体的に積層し、電界によりこれら圧電素子
   が積層方向に機械歪を生じる圧電駆動体と；この圧電駆
   動体を挾持し、且つ両端部に対向面を有する挟持体と；
   一方の端部を二枚のほぼ平行な薄板と成し、且つ対向配
   置の固定接点と接触・開離する可動接点部を他方の端部
   に有する可動体とを備え；前記圧電駆動体の積層方向の
   両端面を前記挟持体で挾み押え、且つ前記二枚の薄板の
   それぞれを前記挟持体の対向面を成す両端部にそれぞれ
   連結したことを特徴とする圧電継電器。