JPS6363096B2 - - Google Patents

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イ
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機械歪は横効果歪
といわれている。この縦効果歪は一般に横効果歪
より大きく、従つて縦効果歪を利用する方がエネ
ルギ変換効果は高い。一方、発生する歪の大きさ
は圧電素子構成材料によつて異るが、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大きくならない。
従つて、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ツ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
つている。

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―115235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つてい
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を参照して横効果歪利用圧電駆
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，１１ｂを三枚の電極１２ａ，１２ｂ，
１２ｃで挾み貼合せ、電極１２ａ，１２ｂ，１２
ｃを並列接続した端子１３ａ，１３ｂを駆動電圧
入力端子として設け圧電駆動体を成し、符号・
の間で電界Ｅを生じるように電圧を端子１３
ａ，１３ｂに印加するときは、分極Ｐを有する圧
電素子１１ａ，１１ｂ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、従つてバイモルフ振動子１
０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１
０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はリード線１５ｌ
によつて出力端子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によつ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１５が
固定接点１６に接触押圧され、電気回路として端
子１５ｔ―リード線１５ｌ―可動接点１５―固定
接点１６―リードばね板１６ｓ―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び
る横効果歪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材となる外箱２９とに
固着されて構成される。平常時は可動接点ばね２
３の根元は水平状態にあり、折曲げた部分近傍に
おいて可動接点２５が固定接点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
加し両圧電駆動体が長さ方向に伸びるときは、圧
電駆動体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
可動接点ばね２３が圧電駆動体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２
７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、従つて可動
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
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；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、
この圧電駆動体の積層方向両端部それぞれに配置
して前記圧電駆動体を挾持する二つの挟持体と、
前記圧電駆動体の積層方向にほぼ垂直方向に所定
の長さを備え、一方の端部が対向配置の固定接点
と接触・開離する可動接点を備え、また他方の端
部が前記二つの挟持体が対向して圧電駆動体の歪
に応じてそれぞれ逆方向に変位を生じる対向面の
間に挿入され、前記圧電駆動体の積層方向に且つ
相互にほぼ平行に所定の短距離を保ち先端をそれ
ぞれ逆方向に伸長させて前記二つの挟持体それぞ
れの対向面に連結した二枚の駆動薄板を備える可
動体とを有することを特徴とする。

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。
従つて、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、一方内部電
極の間隔は通常のチツ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３mm及び２mm、長さが９mmの直方体マグネ
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
造になつている。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３
２１及び３３１で外部に電気的に絶縁され、これ
を覆つ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り積層面
の全域において局部的な応力の集中が起らない。
従つ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、チツ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10V程度でよく、従つ
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17.4×5.7
×0.17（mm³）の圧電素子を二枚重ねたバイモルフ
振動子による圧電駆動体、又第４図ｂは９×３×
２（mm³）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
（ｘ）・応力（ｐ）関係結果を示すものである。
又、機械エネルギＥは次式によつて与えられる。

Ｅ＝１／２PGx ここで、Ｇ＝9.8m／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ａ及びｂから次の
計算式 42000×15.6／7.97×108≒760 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は圧電駆動体が伸長し
たときの可動挾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５０
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、且つ印加電圧により押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つてばね板５４に
ほぼ垂直にそれぞれ反対方向を向いた一体構造の
駆動薄板５８，５９を有し、一方は固定挾持部材
５２に、又他方は可動挾持部材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５
１と一体化された構造であり、従つてばね板５４
はＢ点で可動挾持部材５３の運動方向と等しい矢
印方向に固定挾持部材５２に固着されたＣ点に対
して引張られる。このＢ点の移動は、可動接点５
５の位置をＤ点としたとき他端にそれぞれＢ点及
びＣ点を持つB′点及びC′点のばね板上で、可動接
点５５がほぼ（Ｄ―C′の長さ／B′―C′の長さ）の
割合で増幅されて移動し、且つ速度も上昇する。
従つて、可動接点５５は増幅された行程及び速度
をもつ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、従つて可動接点
を先端に有するばね板の弾性により十分な所定の
接点押圧力が得られる。

上記実施例では、挾持部材・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（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
を上げ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、他方ば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
挾持体に組込み、且つこの圧電駆動体による歪量
を上述したように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、更には小形化を図つ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挾持部材の動きを
説明する側面図である。 ３１……圧電素子、５０，６０……基板、５１
……圧電駆動体、５２……固定挾持部材（挾持
体）、５３……可動挾持部材（挾持体）、５４……
可動接点支持部材（可動体）、５５……可動接点、
５６，５７……固定接点支持部材、５８，５９…
…駆動薄板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、この圧電駆動体の積層方向両端部そ
   れぞれに配置して前記圧電駆動体を挾持する二つ
   の挟持体と、前記圧電駆動体の積層方向にほぼ垂
   直方向に所定の長さを備え、一方の端部が対向配
   置の固定接点と接触・開離する可動接点を備え、
   また他方の端部が前記二つの挟持体が対向して圧
   電駆動体の歪に応じてそれぞれ逆方向に変位を生
   じる対向面の間に挿入され、前記圧電駆動体の積
   層方向に且つ相互にほぼ平行に所定の短距離を保
   ち先端をそれぞれ逆方向に伸長させて前記二つの
   挟持体それぞれの対向面に連結した二枚の駆動薄
   板を備える可動体とを有することを特徴とする圧
   電継電器。