JPS59175532A - 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（・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、圧電素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＠椋歪は横効果歪と（・
われている。この縦効果歪は一般に横効果歪より大きく
、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ｌ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。

横効果歪を利用した圧電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犬きくならな（・。

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を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（・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横効果歪を生じる圧電素
子より成る圧電駆動体を用（・たものが多数提案される
に留まって（・る。

ここで、従来の圧電継電器の構成例につ（・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１０は二枚の圧電素子１１ａ、ｌｌｂ
を三枚の電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃ　で挾み貼合せ、
電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃを並列接続した端子１３ａ
、１３ｂを駆動電圧入力端子として設は圧電駆動体を成
し、符号ｅ−ｅの間で電界Ｅを生じるように電圧を端子
１３ａ、１３ｂに印加するときは、分極Ｐを有する圧電
素子１１ａ、Ｉｌｂ　が電界Ｅに垂直に、又分極Ｐの向
きとの関係で一方で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、バイモルフ振動子１０の一端は基
板１４に固着され、他端は可動接点１″５を備え、この
可動接点１５はリード線１５２によって出力端子１５ｔ
に接続される。固定接点１６は一端を基板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　？　１３　ｂに電圧を
印加するときはバイモルフ振動子１ｏは第１図（ｂ）に
お（・て矢印方向に湾曲し、可動接点１５が固定接点１
６に接触押圧され、電気回路として端子１５ｔ−リード
線１５．、ｅ−可動接点１５−固定接点１６−ＩＪ−ド
ばね板１６’３一端子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、スナップ
ばねを使用した第２図記載のものが提案されている。第
２図において、スナップばね２３はばね板の両端を板の
長さ方向に圧縮し正弦波状に反った状態で固定した双安
定状態を有する。二つのバイモルフ振動子２１．２２は
それぞれ一端を固定され、他端はスナップばね２３に接
触・押圧可能な位置に配設され、駆動用電圧入力端子２
１ｔ、２２ｔを備える。スナップばね２３はほぼ中央に
可動接点２４を有し、一方の安定位置で固定接点２５に
接触・抑圧可能とし、端子２４１に可動接点２４を接続
する。固定接点２５はリード線又は固定接点はね２６に
より端子２５ｔに接続される。

次に、第２図において、端子２１ｔに電圧を印加したと
きはバイモルフ振動子２１の先端を下方に湾曲させ、ス
ナップばね２３の凸面上方はぼ中央が押される。スナッ
プばね２３は固定面を含む平面を反対側に越えた位置で
急激に自動的に押し方向へ運動し、破線で示される正弦
波状に反った安定状態を作ることにより、接点２４及び
２５は相互に開離する。一方、端子２２ｔに電圧を印加
してバイモルフ振動子２２の先端を上方に湾曲させると
きは上記と逆の運動によりスナップばね２３の接点２４
は急速運動し、接点２５に衝突・停止・押圧して端子２
４を及び２５を間の電気回路を閉成する。この状態では
、可動接点２４及び固定接点２５はスナップばね２３及
び固定ばね２６の弾性により接触押圧力を得ることがで
きる。

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
、従って可郵接点と固定接点とが接触したとき接点押圧
力が小さく・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、接触不良
の原困となることがあり、その使用額域は極めて限定さ
れていた。上記問題を解決するためスナップばねのスナ
ップ作用を利用した多くの技術が開示されて（・るが、
横効果歪のもつ機械エネルギの不足はスナップばねの駆
動力不足として残る。

従って、効果的作用のためスナップばねの形状・圧電駆
動体との相対位ｒ等、圧面、維箱器の設計及び調整が難
しく・という問題があった。

本発明の目的は、既述した縦効果歪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、更にこの積層形圧電駆動体の利点をスナップばね
機構に応用することにより一層有利に用（・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
る圧矩゛駆動体と；湾曲変位した湾曲部を有し、且つ対
向配置された固定接点部と接触・開離する可動接点部を
前記湾曲部のほぼ中心部及び自己の自由端を成す端部の
少くとも一方に有するスナップばねとを備え；前記圧電
駆動体の積層方向と前記スナップばねの湾曲部中央のス
ナップ動作による移動方向とを一致させ、且つ前記圧電
駆動体をその少くとも一端で前記スナップばねの少くと
も一つの湾曲部けは中央に係合させて配設したことを特
徴とする。

ここで、本発明による圧電継電器に用（・られる積層形
圧電駆動体につ（・て説明する。圧電素子の横効果と縦
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ｌ；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ｌＯ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３ＷＩ１
１１．及び２餌、長さが９ｍ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（・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
しく・。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３３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（・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
分布も均一となり積層面の全域にお（・て局部釣力応力
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（・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
ｌＯｖ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　Ｘ５．７ＸＯ，１
７（−り圧電素子を二枚重ねたバイモルン振動子による
圧電駆動体、又第４図（ｂ）は９　Ｘ　３　Ｘ２（ｍ”
）の縦効果歪利用の積層形圧電駆動体を長さ方向に二段
重ねしたとき、それぞれの変位ｆｘ）・応力（Ｔ））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　＝　−Ｐ　Ｇ　ｘ ことで、Ｇ　＝　９．８　ｍ／Ｓ２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（ａｌ及び由）から次の計算式４
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、本発明の実施例につ（・て図面を参照して説明す
る。まず、本発明の圧電継電器に使用するスナップばね
の動作について第５図（ａ）　、　（ｂ）及び（Ｃ）を
参照して説明する。第５図（ａ）はスナップばねの湾曲
面の中心位置が点Ａ及びＢで安定する双安定状態スナッ
プはねの一例、又第５図ｆｂ）は中心点Ｃに近（・点り
と点Ｅとで接点により停止安定状態にした一例を示す。

第５図（Ｃ）は、第５図（ａ）及び（ｂ）スナップばね
の応力を湾曲面中心部位置に対して示す動作特性原理図
である。

第５図（ｔ）ｌ及び（Ｃ）において、接点接触点り及び
Ｅはそれぞれ応力ｄ及びｅの接点押圧力を得る。圧電駆
動体がこの応力ｄ又はｅを越えた起動力で中心点Ｃに向
はスナップばねの湾曲面を押して移動させるとき、スナ
ップばねの湾曲面中心部は中心点Ｃを越えて変極点Ｆに
達するまでは安定状態で移動するが変極点Ｆを越えると
いわゆるスナップ動作を発生し湾曲面の形状・応力が急
変し停止位（８）−となる接点接触点Ｅに向かう逆方向
の応力となってガ曲面を接触点Ｅに衝突させる。スナッ
プばねを動作させる駆動力は、スナップばねの湾曲面を
停止位置から移動させるための応力ｄ又はｅを十分に越
えた起動力及びスナップ動作が発生するまでスナップば
、ね湾曲面の中心部が移動できる応力である。

次に、本発明の圧電継電器の実施例について一面を参照
して説明する。

第６図（は、縦効果歪を生じる圧電素子を積層した圧電
駆動体の＠層方向の両端にそれぞれスナップばねを固定
して構成した、本発明の圧電継電器の一実施例を示す側
面断面図である。第６図において、圧電駆動体６１は伸
縮方向両端のそれぞれにスナップばね６２．６３のほぼ
中央部を、スナップばね６２，６３が圧電駆動体の積層
方向に対して垂直面を成すように、係着される。二つの
ほぼ平行面を成すスナップばね６２，６３は外箱６０に
より両端を中心部に向って圧縮し同一方向に正弦波状に
反った状態で固定され、且つ圧電駆動体６１の長さ方向
に圧電駆動体６１と共に挾込む位置に固着された可動接
点６５及び６６を持つ。

スナップばねが、可動接点６６の側にふくらんだときは
固定接点６７と、一方可動接点６５の側にふくらんだと
きは固定接点６４と、それぞれの可動接点６６及び６５
が接触し、反対側に位置する接点は開放する。接点組６
４．６５及び６６．６７に対してはそれぞれ出力端子６
９ａ及び６９ｂが、又圧電駆動体６１には印加電圧用入
力端子６８が外箱６０を貫通して配設される。

矢に、第６図にお（・て入力端子６８に電圧を印加する
ときは圧電駆動体６１が積層方向に伸び、スナップばね
６２の変極点を越たとき可動接点６５はスナップ動作で
固定接点６４に押付げられる。

このスナップ動作中に印加電圧を除去するとぎは、圧電
駆動体６１が復旧運動、すなわち縮むのでスナップばね
６３は固着された可動接点６６を固定接点６７から開離
する方向に働く。スナップばね６３に対する起動力には
圧電駆動体６１の短縮と共にスナップばね６２のスナッ
プ運動が加わり、従って容易に応力が得られてスナップ
動作が完了する。本実施例でスナップばねを板はねとし
て説明したが中央部が湾曲した円盤状の場合も中心を挾
んだ両局辺端から全円周辺端までを外箱に嵌合固定して
も同様の機部が発揮できる。

又、第７図は第６図の圧電継電器とは別の実施例を示す
平面断面図である。第７図において駆動手段となる圧電
、駆動体７１は積層方向の一端が外箱７０に固着され、
他端がスナップばね７２のほぼ中央部で止め具７１１に
より遊嵌をもって係合される。スナックはね７′２は中
央部を湾曲させた円形状で、片面の中央部にぼぼ垂直に
圧電駆動体７１を、又他の面には中央部附近で同一円周
上に、中央部の押引によりスナップ動作が実現できると
共に周辺端に設けた可動接点７５が所定の移動行程を表
すよう、支持体７３が固定される。支持体７３は一端を
外箱７０に固定し他端をスナップばね７２のスナップ動
作中の中心平面上におく。スナップばね７２の周辺端部
の可動接点７５がスナップばね７２のスナップ動作で接
離する対向位置の固定接点７４及び７６は支持体７９を
介して外箱７０に固定される。圧電駆動体７１に印加さ
れる電圧は入力端子７８に入力され、固定接点７４．７
６はそれぞれ支持体７９をそのまま端子として、又可動
接点７５は支持体７３を介して外箱７０に配設された出
力端子７７にそれぞれ接続される。

これらの端子は本図面では裏側に引出されて（・る。

次に第７図に示された圧電継電器の動作につ（・て説明
する。第７図にお（・て、端子７８に電圧を印加するこ
とにより圧電駆動体７１が積層方向に伸びスナップばね
７２の中央部を押圧したとき、前記のスナップ動作はス
ナップはね７２の周辺端の可動接点７５を固定接点７６
から離すと共に他力の固定接点７４に接触させる。次に
電圧が入力端子７８から除去されるときは圧電駆動体７
１が縮み止め具７１１によりスナップはね７２を押して
前述と逆方向のスナップ動作をさせる。

次に、第８図（ａ）及びＱ））は圧電駆動体によりスナ
ップばねを作動させる本発明の圧電継電器の第６及び第
７図と１別の実施例を示す側面断面図である。第８図（
ａ）において、外箱８ｏにコの字形の絶縁材から成る固
定支持部材８２が固定される。圧電駆動体８１は、コの
字の縦辺に平行に下端を固着し上端をコの字の上辺に接
し肴っ駆動入力である印加電圧の入力端子８１ｔが接続
される。スナップばね８３の固定支持部材８２に埋設固
定された一端部附近は弾性材８４に稜われだスナップ動
作用湾曲部の凸部が圧Ｎ、駆動体８１の顕部に接するよ
う配設され、又湾曲部近辺で固着部の反対側の位置では
固定支持部材８２の突起体８８が接する。又、スナップ
ばね８３の先端にはスナップばね８３により固定接点８
６との所定の接点圧力が得られる可動接点８５が固着さ
れ、導電体のスナップばね８３を介して可動接点８５が
出加子８５ｔに接続される。スナップばね８３が圧電駆
動体８１の伸び動作によりスナップ動作するときは可動
接点８５が固定接点８６がら離れ、固定接点８７に接触
する。

次に本発明の圧電継電器に使用するスナップばねについ
て、図面を参照して説明する。第８図わ）において、ス
ナップばね８３は固定支持部材８２に一端が固定され、
常時上方向に応力を持ち、他端の可動接点８５を固定接
点８６に所定の抑圧力をもって接触させている。又、ス
ナップばね８３は、固定部と突起体８８に接触する位置
とに挾まれた湾曲部を、電圧を印加されて伸長する圧電
駆動体８１の上端面により上方矢印方向に押上げられた
とき、突起体８８に接した後スナップ動作して可動接点
８５を固定接点８６がら離し、下側の固定接点８７に所
定の押圧力で接触させる。又、印加電圧を除去された圧
電駆動体８１が縮少して自己の上端面をスナップばね８
３の湾曲凸面から離したときスナップばね８３は自彷刀
により可動接点８５を上方に動かし、固定接点８７がら
離した後スナップ動作をして固定接点８６に所定の押圧
力で接触させ、初期の状態に戻る。上記実施例では湾曲
部は単純な形状で一枚の板ばゎにより加工されて（・る
が、二枚ばねの組合せによるもの等、湾曲部をもってス
ナップ動作するスナップばゎであれば、その形状は上述
の説明で挙げられた形状に限定されるものではない。

上記実施例にお（・て、第８図の湾曲部だけが弾性材で
覆われているが、前に説明したように縦効果歪を生じる
積層形圧電駆動体の機械エネルギが太き（・上、印加電
圧パルスに対しての応答が早（・ため、ばねの湾曲部へ
の衝撃動作を緩和するために備えられたもので、他の実
施例にお（・ても採用できる。

以上説明したように、本発明によれはエネルギ変換効率
の高（・縦効果歪を生じる圧電素子を積−し接点開閉駆
動源とする圧電駆動体によって、強力な駆動力及び押圧
力を生じ、且つ可動接点を有するスナップばねを直接動
作させることにより、スナップばねの駆動を確実にし、
設計及び調整を容易にすると共に動作の安定化を図った
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
断面図、第２図は圧電素子の横効果歪を利用してスナッ
プばねを駆動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１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Φ応力特性図、第５図（ａ）　、　（
ｂ）及び（Ｃ）は、スナップばねの基本形状及び動作特
性を示す構成図及び特性図、第６図は本発明の圧電継電
器の一実施図とは別の形状のスナップばねを使用した一
実施例を示す断面側面図である。 ３１・・・・・・圧電素子、６Ｌ７１，８ｘ・・・・・
・圧電駆動体、６２，６３，７２，８３・・・・・・ス
ナップばね、６４゜６７．７４，７６．８６，８７・・
・・・・固定接点、６５，６６゜７５．８５・・・・・
・可動接点。 脣５　Ｉ　じ２１　　（（２〕 第　／　図（ｂ） て １ 心　３　図 ％５．４．　　巨司　（ａ） 第４ＪＪＪ（ｂ） 第　ｌ　間 （（２）　　　　　　　　　　　（Ｃ）（ｂ）

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；湾曲変位し
   た湾曲部を有し、且つ対向配置された固定接点部と接触
   ・開離する可動接点部を前記湾曲部のほぼ中心部及び自
   己の自由端を成す端部の少くとも一方に有するスナップ
   ばねとを備え；前記圧電駆動体の積層方向と前記スナッ
   プばねの湾曲部中央のスナップ動作による移動方向とを
   一致させ、且つ前記圧電駆動体をその少くとも一端で前
   記スナップばねの少くとも一つの湾曲部はぼ中央に係合
   させて配設したことを特徴とする圧電継電器。