WO2006022084A1 - 圧電デバイスおよびこれを備える圧電スイッチ - Google Patents

圧電デバイスおよびこれを備える圧電スイッチ Download PDF

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WO2006022084A1
WO2006022084A1 PCT/JP2005/012783 JP2005012783W WO2006022084A1 WO 2006022084 A1 WO2006022084 A1 WO 2006022084A1 JP 2005012783 W JP2005012783 W JP 2005012783W WO 2006022084 A1 WO2006022084 A1 WO 2006022084A1
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piezoelectric
piezoelectric element
pair
conductive member
piezoelectric device
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Katsuyuki Ishikawa
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Taiheiyo Cement Corporation
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    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
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    • H03K17/965—Switches controlled by moving an element forming part of the switch
    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric device in which a conductive member having elasticity is fixed to a piezoelectric element, and a piezoelectric switch including the piezoelectric device.
  • a generator that generates electric power by exciting a piezoelectric element and causing free vibration exists.
  • the above generator generates a voltage due to the piezoelectric lateral effect by bending and bending a thin plate-like piezoelectric material joined to a metal plate, thereby expanding and contracting the piezoelectric material. Therefore, one surface of the plate-like piezoelectric element needs to be restrained by the metal plate.
  • a unimorph type generator in which a plate-like piezoelectric element with electrodes provided on both sides is fixed to one side of a metal plate, or a bimorph type generator in which a similar piezoelectric element is fixed to both sides of a metal plate Is being used. Bonding between the piezoelectric element and the metal plate is usually performed by a thermosetting resin in a heated state. For this reason, as the material of the metal plate, a material having a low coefficient of thermal expansion and the same level as that of the piezoelectric element is often used.
  • piezoelectric actuators using the inverse piezoelectric effect with the same configuration as the above-described generator are known.
  • piezoelectric actuators there is one in which a piezoelectric body is formed on a substrate having a thermal expansion coefficient larger than that of the piezoelectric body, and the tensile stress inside the piezoelectric body is reduced (see, for example, Patent Document 3).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-7491
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 7-49388
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-146640
  • the piezoelectric element as described above is generated inside when the piezoelectric element is extended. Due to the tensile stress, the surface of the piezoelectric element is likely to crack. If the piezoelectric element is bent together with the metal plate due to the impact of external force or external force, if there is a piezoelectric element on the side of the center of curvature of the bent metal plate, compressive stress is generated on the piezoelectric element, which is opposite to the center of curvature of the bent metal plate. When there is a piezoelectric element on the side, tensile stress is generated in the piezoelectric element. In particular, generators are subject to external forces that cannot be controlled, and are therefore subject to stresses exceeding tensile strength. In addition, when the surface of such a piezoelectric element is cracked and the electrode on the element surface is divided, the area of the element surface that contributes to power generation becomes extremely small, and sufficient power cannot be obtained.
  • the piezoelectric actuator described in Patent Document 3 has a large thermal expansion coefficient and / or a piezoelectric body formed on a metal plate, so that durability against tensile stress is improved. Therefore, a piezoelectric actuator that heats and bonds a single plate-like piezoelectric body to a single metal plate so that the metal plate shrinks larger than that of the piezoelectric body when cooled to room temperature. Warp tends to occur.
  • the present invention uses a piezoelectric device that prevents cracks from being generated on the surface of a piezoelectric element by mitigating tensile stress generated inside the piezoelectric element by an external force, and further prevents warping.
  • An object is to provide a piezoelectric switch.
  • a piezoelectric device has a plate-like piezoelectric body whose polarization direction is the thickness direction and a pair of electrodes provided on both main surfaces of the piezoelectric body. And a pair of conductive members fixed to both main surfaces of the piezoelectric element and having elasticity, and when an external force is applied, the piezoelectric body is distorted to generate electric power. .
  • a pair of conductive members having elasticity are fixed to both main surfaces of the piezoelectric element. This prevents the piezoelectric element from being extremely distorted by the impact of external force or external force, so that the surface of the piezoelectric element can be prevented from cracking due to stress. Further, even if the surface of the piezoelectric element is cracked and the electrode on the surface of the element is divided, an element area contributing to power generation can be secured, and sufficient power can be obtained without degrading characteristics. In addition, since one plate-like piezoelectric body is sandwiched between two conductive members, warping of the piezoelectric element can be prevented.
  • an elastic modulus of the pair of conductive members is larger than an elastic modulus of the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element can easily follow the movement of the conductive member.
  • the piezoelectric element is compressed and held in a direction parallel to both main surfaces by the pair of conductive members to which both main surfaces are fixed.
  • compressive stress can be applied to the piezoelectric element in advance, and the tensile stress generated by the external force can be relaxed.
  • the surface of the piezoelectric element can be prevented from cracking due to the tensile stress.
  • the thermal expansion coefficient of the pair of conductive members is larger than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric element.
  • the material and shape of the conductive member fixed to one electrode of the piezoelectric element may be the same as the material and shape of the conductive member fixed to the other electrode. Is preferred.
  • the piezoelectric device has a symmetric structure with respect to the piezoelectric element, so that compressive stress is applied evenly, and warpage can be further prevented.
  • the quality factor Q is increased, and the energy conversion efficiency can be improved.
  • the piezoelectric element has a rectangular plate shape
  • the pair of conductive members has a rectangular plate shape longer in one longitudinal direction than the piezoelectric element,
  • a fixing portion that protrudes from the element in the longitudinal direction and supports and fixes a pair of end portions of the conductive member that protrude in the longitudinal direction from the piezoelectric element;
  • an insulator is provided between a pair of end portions of the member protruding from the piezoelectric element in one of the longitudinal directions.
  • the conductive member can be used as it is as an extraction electrode in the fixed portion.
  • the piezoelectric element is longer in length than the pair of electrodes. It is preferable to further include a fixing portion that supports and fixes a pair of end portions of the conductive member that are fixed to the piezoelectric body.
  • the piezoelectric body is not subjected to polarization treatment in the portion where no electrode is provided. Furthermore, when the conductive member is directly fixed to the piezoelectric body, the contact is poor and no loss due to the reverse piezoelectric effect occurs. Further, the conductive member can be taken out as it is in the fixed portion as an electrode. In addition, it can be easily manufactured simply by adjusting the area on which the electrode is printed, and labor and cost can be reduced.
  • the piezoelectric device has elasticity, a central conductive member formed in a plate shape, and is fixed to one main surface of the central conductive member and polarizes in the thickness direction.
  • a conductive member and a second conductive member which is fixed to the main surface of the second piezoelectric element opposite to the side of the central conductive member and has elasticity
  • the piezoelectric device of the present invention is provided with the conductive member having elasticity on the outside of each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element. This prevents the piezoelectric element from being extremely distorted by the impact or external force of the external force, so that the surface of the piezoelectric element can be prevented from cracking due to the stress. Further, even if the surface of the piezoelectric element is cracked and the electrode on the surface of the element is divided, the element area contributing to power generation can be secured and sufficient power can be obtained without degrading the characteristics. Further, since the plate-like piezoelectric body is sandwiched between the conductive members, warping of the piezoelectric element can be prevented. In addition, since two piezoelectric elements are used, a large voltage can be obtained even if it is thin.
  • the piezoelectric switch of the present invention includes the above-described piezoelectric device and the piezoelectric device.
  • An external force transmission unit that transmits and bends external force to the piezoelectric element and the conductive member, and a signal generation circuit that extracts a voltage generated by the piezoelectric element that is transmitted and vibrated by the external force from the pair of conductive members and converts the voltage into an electrical signal It is characterized by providing these.
  • the piezoelectric device According to the piezoelectric device according to the present invention, it is possible to prevent the piezoelectric element from being cracked on the surface of the piezoelectric element due to the stress because it is not extremely distorted due to the impact or external force of the external force. . Even if the surface of the piezoelectric element is cracked and the electrode on the surface of the element is divided, an element area contributing to power generation can be secured and sufficient power can be obtained without degrading the characteristics. Further, since one plate-like piezoelectric body is sandwiched between two conductive members, warping of the piezoelectric element can be prevented.
  • the piezoelectric element is not extremely distorted due to the impact or external force of the external force, so that the surface of the piezoelectric element is prevented from cracking and the piezoelectric switch is prevented from being destroyed. can do. Moreover, even if the surface of the piezoelectric element is cracked and the electrode on the surface of the element is divided, an element area contributing to power generation can be secured and a sufficient electrical signal as a switch can be obtained. In addition, since a single plate-like piezoelectric body is sandwiched between two conductive members, the piezoelectric element is prevented from warping, and a piezoelectric switch that is easy to manufacture and hardly breaks can be realized.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the piezoelectric device 1.
  • the piezoelectric device 1 includes a piezoelectric element 4 including a piezoelectric body 2 and an electrode 3, a metal plate 6, and a fixed portion 10.
  • the material of the piezoelectric body 2 is, for example, lead zirconate titanate (PZT) -based piezoelectric ceramics. Even a material other than PZT is not limited to a certain material as long as it is a piezoelectric body.
  • the piezoelectric body 2 has a rectangular plate shape and is polarized in the direction of the arrow P shown in FIG. However, the shape of the piezoelectric body 2 is not limited to a rectangular plate shape.
  • the material of the electrode 3 is a conductor such as silver, palladium, or copper.
  • the electrode 3 is thinly baked on both main surfaces of the piezoelectric body 2, and a plate-like piezoelectric element 4 is formed by the piezoelectric body 2 and the electrode 3.
  • a main surface means the widest surface which opposes a thickness direction among the surfaces of a plate-shaped object.
  • the method of forming the electrodes thinly on both main surfaces of the piezoelectric body may be thermal spraying or sputtering other than printing and printing. Since the electrodes are formed thin, the influence on the elastic modulus or thermal expansion coefficient of the entire piezoelectric element is so small that it can be ignored. That is, the elastic modulus or thermal expansion coefficient of the piezoelectric element is almost the same as the elastic modulus or thermal expansion coefficient of the piezoelectric body.
  • a pair of metal plates 6 as conductive members are fixed to both main surfaces of the piezoelectric element 4.
  • the material of the metal plate 6 is preferably a metal having a larger elastic modulus and thermal expansion coefficient than the piezoelectric element 4, that is, a spring material such as SUS, phosphor bronze, titanium, stainless steel, copper, and the like.
  • the metal plate 6 is used after being heated and bonded to the piezoelectric element 4 and cooled to room temperature. By cooling, the metal plate 6 contracts and compresses and holds the piezoelectric element 4 in a direction parallel to both main surfaces. Therefore, compressive stress can be applied to the piezoelectric element 4 from the metal plates 6 fixed to both main surfaces. That is, the piezoelectric element 4 can be compressed by the metal plate 6 in a direction parallel to both main surfaces. As a result, the tensile stress generated when the piezoelectric element 4 is vibrated can be relaxed. In addition, the piezoelectric element 4 can easily follow the movement of the metal plate 6. It can be done.
  • the material of the metal plate 6 may also be a conductive elastic material mixed with conductive ceramics or a conductive elastic material such as a resin containing carbon fibers. Good.
  • the pair of metal plates 6 are preferably formed in the same shape from the same material.
  • the piezoelectric device 1 has a symmetric structure with respect to the piezoelectric element 4, so that the compressive stress can work evenly to further prevent warpage. Further, when the piezoelectric element 4 and the metal plate 6 are freely vibrated, the quality factor Q is increased, and the energy conversion efficiency can be improved.
  • the piezoelectric element 4 and the metal plate 6 are fixed to each other with an adhesive such as a thermosetting resin.
  • an adhesive such as a thermosetting resin.
  • a plate-like body is formed by stacking a pair of metal plates 6 so that the piezoelectric element 4 is sandwiched therebetween.
  • the metal plate 6 is fixed to the piezoelectric element 4 so that the piezoelectric element 4 receives compressive stress in a direction parallel to the main surface at room temperature.
  • a compressive stress is applied to the piezoelectric element 4 in advance, and the tensile stress generated inside the piezoelectric element due to an external force can be relaxed.
  • cracks can be prevented from entering the surface of the piezoelectric element 4 due to the tensile stress generated inside the piezoelectric element 4.
  • the piezoelectric device 1 may be the piezoelectric device 1 in which the metal plate 6 is fixed to the piezoelectric element 4 at room temperature using an adhesive that cures at room temperature. Also, the adhesive should be conductive.
  • the fixing part 10 is fixed by physically fastening one end of the plate-like body from both main surface sides. Further, an adhesive may be used as a fixing method.
  • the lead zirconate titanate (PZT) -based piezoelectric body 2 is manufactured by a general piezoelectric ceramic manufacturing method.
  • the plate-like piezoelectric element 4 is obtained by screen-printing and printing electrodes on both main surfaces of the piezoelectric body 2.
  • Figure 2 As shown in (a), a pair of metal plates 6 are bonded to both main surfaces of the piezoelectric element 4 via epoxy resin, and the piezoelectric element 4 and the metal plate 6 are heated while being pressed. Once heated enough to cure the epoxy resin, cool to room temperature.
  • the piezoelectric member 4 contracts in the directions of A and B in the figure due to the shrinkage of the cooled metal plate 6 as shown in FIG. Element 4 is subjected to compressive stress. Therefore, the piezoelectric element 4 is always under a compressive stress unless it receives external force at room temperature.
  • the piezoelectric element 4 is polarized. For example, the polarization treatment is performed in oil having a temperature equal to or higher than the Curie temperature. Finally, one end of a plate-like body composed of the piezoelectric element 4 and the metal plate 6 is fixed to the fixing portion 10, whereby the piezoelectric device 1 is manufactured.
  • the piezoelectric device 1 As described below, when an external force is applied to a piezoelectric device, the piezoelectric element generates strain and generates electricity.
  • an external force in the direction C is applied to the free end of the cantilever of the piezoelectric device 1.
  • the plate-like body having the piezoelectric element 4 and the metal plate 6 is bent.
  • the piezoelectric body 2 is also bent together with the metal plate 6 and the electrode 3.
  • the cantilever beam from which the external force is released swings to the opposite side and then freely vibrates.
  • the piezoelectric body 2 follows the bending of the metal plate 6 and vibrates.
  • the upper side (outer peripheral side) of the piezoelectric device is displaced in the extending direction with respect to the lower electrode (center of curvature) of the piezoelectric device.
  • the potential of this electrode is lower than that of the lower electrode. That is, an electric field in the direction opposite to the polarization direction is generated.
  • the potential of the upper electrode is lower. Higher than the electrode. That is, an electric field in the same direction as the polarization direction is generated.
  • the piezoelectric device 1 is less susceptible to cracking because the piezoelectric body 2 is protected by the metal plate 6 than the conventional piezoelectric device for power generation, but a crack 20 as shown in FIG. 5 occurs.
  • a crack 20 as shown in FIG. 5 occurs.
  • the piezoelectric device for power generation if a crack occurs, the force cannot be connected between the previous electrode and the take-out electrode, and power generation ahead of the crack force is wasted.
  • the metal plate 6 since the metal plate 6 is in contact with the electrode beyond the crack 20, a crack should occur. Even in such a case, it can function without reducing efficiency.
  • the fixed end of the cantilever of the piezoelectric device 1 described above has a structure in which the piezoelectric element 4 is sandwiched between a pair of metal plates 6.As in the piezoelectric device 31 shown in FIG. Instead of the piezoelectric element 4, an insulator 32 may be inserted between the metal plates 6. Even if the piezoelectric element 4 is fixed to the fixed end, the piezoelectric element 4 is not deformed and thus does not contribute to power generation. Rather, the electric energy generated by the vibration at the free end can be consumed at the fixed end. With the above configuration, energy loss can be reduced as compared with the case where the piezoelectric element 4 is provided between the fixed ends of the pair of metal plates 6. Further, the metal plate 6 can be directly used as an extraction electrode in the fixed portion 10.
  • the fixed end portion may have a structure in which the electrode 3 is removed from the piezoelectric element 4. That is, the fixed end portion may have a structure in which the piezoelectric body 2 is directly sandwiched between the metal plates 6. For the portion where the electrode 3 is not provided, the piezoelectric body 2 is not polarized. Furthermore, when the metal plate 6 is directly fixed to the piezoelectric body 2, the contact is poor and no loss due to the reverse piezoelectric effect occurs. For this reason, energy loss can be reduced as compared with the case where the piezoelectric element 4 is provided between the pair of end portions of the metal plate 6 that does not contribute to power generation.
  • the electrode in the process of printing the electrode 3, the electrode is not printed on the area to be the fixed end. As a result, the electrode can be easily manufactured simply by adjusting the area on which the electrode is printed, and labor and cost can be reduced.
  • the piezoelectric device 1 has a structure having a single-plate piezoelectric element 4. As shown in FIG. 7, the piezoelectric device 1 may have a structure in which two piezoelectric elements are sandwiched between three metal plates.
  • the piezoelectric device 41 includes a metal plate 42 as a central conductive member, a piezoelectric element 46 as a first piezoelectric element, a piezoelectric element 50 as a second piezoelectric element, and a metal plate 51 as a first conductive member. And a metal plate 52 as a second elastic conductive member.
  • the metal plate 42 is formed in a rectangular plate shape.
  • the piezoelectric element 46 includes a piezoelectric body 43 that is polarized in the Q1 direction as a first piezoelectric body and is formed in a rectangular plate shape, and a pair of electrodes 44 and 45 provided on both main surfaces thereof.
  • the piezoelectric element 46 is formed in a plate shape,
  • the metal plate 42 is fixed to one main surface.
  • the piezoelectric element 50 includes a piezoelectric body 47 polarized in the Q2 direction as a second piezoelectric body, and a pair of electrodes 48 and 49 provided on both main surfaces thereof.
  • the piezoelectric element 50 is formed in a plate shape and is fixed to the main surface of the metal plate 42 opposite to the piezoelectric element 46.
  • the metal plate 51 is fixed to the main surface of the piezoelectric element 46 opposite to the metal plate 42.
  • the metal plate 52 is fixed to the main surface of the piezoelectric element 50 opposite to the metal plate 42.
  • the piezoelectric device 41 is provided with the metal plates 51 and 52 on the outer sides of the piezoelectric element 46 and the piezoelectric element 50, respectively. This prevents the piezoelectric elements 46 and 50 from being extremely distorted by the impact or external force of the external force, so that the surface of the piezoelectric elements 46 and 50 can be prevented from cracking due to the stress. In addition, even if the surface of the piezoelectric elements 46 and 50 is cracked and the electrodes on the element surface are divided, an element area contributing to power generation can be secured, and sufficient power can be obtained without degrading the characteristics.
  • the plate-like piezoelectric elements 46 and 50 are sandwiched between the metal plates 42, 51 and 52, the warp of the piezoelectric elements 46 and 50 can be prevented.
  • two piezoelectric elements are used, a large voltage can be obtained even if it is thin.
  • the material of the metal plates 42, 51 and 52 for example, the same material as that of the metal plate 6 of the first embodiment can be used. However, the material of the metal plates 42, 51 and 52 is not particularly limited to this. Further, as the material of the piezoelectric elements 46 and 50, for example, the same material as that of the piezoelectric element 4 of the first embodiment can be used. However, the material of the piezoelectric elements 46 and 50 is not particularly limited to this.
  • the method for manufacturing the piezoelectric device 41 is the same as the method for manufacturing the piezoelectric device 1. However, in the process of bonding the metal plate to the piezoelectric element via the epoxy resin, heating is performed with two piezoelectric elements sandwiched between the three metal plates and crimping. Further, the polarization process is performed so that the polarization direction Q1 of the piezoelectric body 43 and the polarization direction Q2 of the piezoelectric body 47 are in the same direction.
  • the operation of the piezoelectric device 41 is the same as the operation of the piezoelectric device 1.
  • the piezoelectric elements 46 and 50 to which an external force is applied bend and vibrate freely. When the free end swings in the direction in which an external force is applied, a voltage in the direction opposite to the polarization direction is generated. When the free end swings in the other direction, a voltage in the same direction as the polarization direction is generated. For example, when an external force is applied in the opposite direction to Q1, the opposite direction to Q1 When the free end swings, the piezoelectric elements 46 and 50 contract as a whole, and both the piezoelectric elements 46 and 50 generate a voltage in the direction opposite to the polarization direction. Also, when the free end swings in the same direction as Q1, the piezoelectric elements 46 and 50 expand as a whole, and both the piezoelectric elements 46 and 50 generate a voltage in the same direction as the polarization directions Q1 and Q2. .
  • the polarization direction Q1 of the piezoelectric body 43 and the polarization direction Q2 of the piezoelectric body 47 are the same, but as shown in FIG. 8, the polarization direction R1 of the piezoelectric body 63 and the piezoelectric body 67 The polarization direction R2 may be opposite.
  • the piezoelectric device 61 has almost the same structure as the piezoelectric device 41.
  • the metal plate 62, the piezoelectric element 66, the piezoelectric body 63, the electrodes 64 and 65, the piezoelectric element 70, the piezoelectric body 67, the electrodes 68 and 69, the metal plate 71, and the metal plate 72 of the piezoelectric device 61 are respectively included in the piezoelectric device 41.
  • the polarization process is performed so that the polarization direction R1 of the piezoelectric body 63 and the polarization direction R2 of the piezoelectric body 67 are opposite to each other.
  • the piezoelectric elements 66 and 70 to which an external force is applied bend and vibrate freely.
  • the piezoelectric body 63 extends in the longitudinal direction (direction from the fixed end to the free end) with the central metal plate 62 as a reference, and the piezoelectric body 67 extends in the longitudinal direction. Shrink to. In this way, a voltage is generated between the electrode 65 and the electrode 64 in the same direction as R 1, and a voltage between the electrode 69 and the electrode 68 is generated in the direction opposite to R 2.
  • the piezoelectric body 63 contracts in the longitudinal direction and the piezoelectric body 67 extends in the longitudinal direction with the central metal plate 62 as a reference. In this way, a voltage is generated between the electrode 65 and the electrode 64 in the direction opposite to R1, and a voltage is generated between the electrode 69 and the electrode 68 in the same direction as R2.
  • the operation of the piezoelectric device 61 is different from that of the piezoelectric device 41. From the piezoelectric device 61, the same effect as that of the piezoelectric device 41 can be obtained.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a piezoelectric device 91 in which a pair of metal plates is fixed to only a part of both main surfaces of the piezoelectric element 4.
  • the piezoelectric device 91 includes a piezoelectric body 92, a pair of metal plates 96, and electrodes (not shown). The electrodes (not shown) are interposed between the piezoelectric body 92 and the pair of metal plates 96.
  • the pair of metal plates 96 is fixed to only a part of both main surfaces of the plate-like piezoelectric body 92.
  • the pair of metal plates 96 are preferably formed symmetrically with respect to the piezoelectric body 92.
  • the piezoelectric device 91 has a symmetrical structure with respect to the piezoelectric body 92, so that compressive stress can work evenly to further prevent warpage. Further, when the piezoelectric device 91 is vibrated freely, the quality factor Q is increased, and the energy conversion efficiency can be improved.
  • a part of both main surfaces to which the pair of metal plates 96 are fixed extend in the longitudinal direction of the piezoelectric device 91 (direction from the fixed end to the free end).
  • the crack 110 is normally generated in a direction perpendicular to the longitudinal direction as shown in FIG.
  • the pair of metal plates 96 are fixed to a part of both main surfaces of the piezoelectric body 92 in the longitudinal direction of the piezoelectric device 91 (direction from the fixed end to the free end), such a crack 110 is generated. Even in this case, conduction can be maintained. In this case, the material cost can be reduced by reducing the number of members of the pair of metal plates 96.
  • the piezoelectric switch 81 includes a piezoelectric device 82, lead wires 83 and 84, and a signal generation circuit 85.
  • the piezoelectric switch 81 also includes a switch 87 for driving the piezoelectric device 82, a switch returning panel 88, and a case 89.
  • the piezoelectric device 82 the above-described piezoelectric device 1, 31, 41, 61 or 91 is used.
  • the piezoelectric switch 81 can bend the cantilever of the piezoelectric device 82 by applying a force to the free end of the piezoelectric device 82 by the switch 87.
  • the switch 87 includes a member having a substantially L-shaped cross section and a holding member that holds one end of the switch in a swingable manner.
  • the bent portion of the switch 87 protrudes outside the case 89.
  • One end of the switch 87 is urged against the switch returning panel 88.
  • the switch returning panel 88 is bent by the external force from the switch 87 when a person holds an external force so as to push the refracting part of the switch 87 into the case 89, and the force to push the switch 87 is released.
  • switch 87 is returned to its original state (normal state).
  • the switch 87 and the switch return panel 88 are integrally formed as a push-on Z push-off type manual switch.
  • the switch 87 has a protrusion that bends the piezoelectric device 82 in contact with the free end of the piezoelectric device 82.
  • the signal generation circuit 85 is a circuit that converts the voltage generated by the piezoelectric device 82 and taken out of the pair of conductive members by the lead wires 83 and 84 into an electrical signal.
  • the piezoelectric device 82 By adopting the above-described configuration, even if the piezoelectric device 82 is bent due to an external force impact or external force, the piezoelectric device 82 is not extremely distorted. 81 can be prevented from being destroyed. Further, even if the surface of the piezoelectric element is cracked and the electrode on the surface of the element is divided, an element area contributing to power generation can be secured and a sufficient electrical signal can be obtained as a switch. In addition, since the piezoelectric device 82 has a configuration in which a single plate-like piezoelectric body is sandwiched between two conductive members, the piezoelectric device 81 is prevented from warping, and is easy to manufacture and can be easily broken. Can do.
  • the operation of the piezoelectric switch 81 will be described.
  • the switch 87 is pushed up by the switch restoring panel 88.
  • the protrusion is located above the free end of the piezoelectric device 82.
  • the protrusion of the switch 87 comes into contact with the free end of the piezoelectric device 82 and bends the piezoelectric device 82 downward.
  • the switch 87 can be pushed in until the switch return panel 88 contacts the bottom plate of the case 89.
  • the free end of the piezoelectric device 82 also releases the protruding force of the switch 87, whereby the piezoelectric device 82 starts free vibration, and then this free vibration attenuates and stops.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a piezoelectric device according to the present invention.
  • FIG. 2 (a) is a cross-sectional view showing a heated piezoelectric element and a conductive member. (B) It is sectional drawing which shows the cooled piezoelectric element and electroconductive member.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a piezoelectric device according to the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a piezoelectric device according to the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a piezoelectric device according to the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a piezoelectric device according to the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a third embodiment of a piezoelectric device according to the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a fourth embodiment of a piezoelectric device according to the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a fifth embodiment of a piezoelectric device according to the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a fifth embodiment of a piezoelectric device according to the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a piezoelectric switch according to the present invention.
  • Piezoelectric element (second piezoelectric element) 71 Metal plate (first conductive member) 72 Metal plate (second conductive member) Piezoelectric switch
  • Switch exital force transmission part

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

【課題】　外力により圧電素子内部に生じる引張り応力を緩和することにより、圧電素子表面に亀裂が発生するのを防止し、さらに反りが生じ難い圧電デバイスおよびこれを用いた圧電スイッチを提供する。 【解決手段】　厚み方向を分極方向とする板状の圧電体および前記圧電体の両主面に設けられた一対の電極を有する板状の圧電素子と、前記圧電素子の両主面に固着され、弾性を有する一対の導電性部材と、を備え、外力を加えられたとき、前記圧電体が歪むことにより発電する。

Description

明 細 書
圧電デバイスおよびこれを備える圧電スィッチ
技術分野
[0001] 本発明は、圧電素子に弾性を有する導電性部材が固着された圧電デバイスおよび これを備える圧電スィッチに関する。
背景技術
[0002] 従来から、圧電素子を励振し、自由振動させて発電を行なう発電機 (たとえば、特 許文献 1参照)や、このような発電機を用いて構成されたスイッチング回路 (たとえば、 特許文献 2参照）が存在する。上記の発電機は、金属板に分極処理した薄板状の圧 電体を接合したものを屈曲させることで、圧電体を伸縮させ、圧電横効果により電圧 を発生させる。そのため、板状の圧電素子のどちらか一面が金属板により拘束される 必要がある。具体的な構成としては、両面に電極が設けられた板状の圧電素子を金 属板の片面に固着したュニモルフ型や、同様の圧電素子を金属板の両面に固着し たバイモルフ型の発電機が利用されている。圧電素子と金属板との接合は、通常カロ 熱した状態で熱硬化性榭脂により行なわれる。そのため、金属板の材料としては、熱 膨張率が低く圧電素子と同程度のものがしばしば用いられる。
[0003] 一方、上記の発電機と同様の構成で逆圧電効果を利用した圧電ァクチユエータが 知られている。このような圧電ァクチユエータには、圧電体より熱膨張係数の大きい基 板上に圧電体を形成し、圧電体内部の引張り応力を緩和したものがある（たとえば、 特許文献 3参照)。この圧電ァクチユエータは、上記の構成をとることにより、圧電体 薄膜の機械的強度を保持し、引っ張り応力による亀裂や膜破壊を防止している。 特許文献 1：特開 2003 - 7491号公報
特許文献 2 :特開平 7— 49388号公報
特許文献 3 :特開 2004— 146640号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] し力しながら、上記のような圧電素子は、圧電素子が伸びた状態では内部に発生 する引張り応力により圧電素子の表面に亀裂が入り易い。外力の衝撃や外力により 圧電素子を金属板とともに屈曲させると、屈曲した金属板の曲率中心側に圧電素子 があるときは圧電素子には圧縮応力が生じ、屈曲した金属板の曲率中心とは逆側に 圧電素子があるときは圧電素子には引張り応力が生じる。特に、発電機はコントロー ルできない外力を受けるため、引張り強度を超えた応力を受け易い。また、このような 圧電素子の表面に亀裂が入り、素子表面の電極が分断されると、発電に寄与する素 子表面の面積が極端に小さくなり十分な電力が得られなくなる。
[0005] 一方、上記の特許文献 3の圧電ァクチユエータは、熱膨張係数の大き!/、金属板上 に圧電体を形成しており、引張り応力に対する耐久性は向上する。し力しながら、一 枚の金属板に一枚の板状の圧電体を加熱して接合して 、るため、室温に冷却された ときには金属板の縮みが圧電体のものより大きぐ圧電ァクチユエータに反りが発生し やすい。
[0006] 本発明は、外力により圧電素子内部に生じる引張り応力を緩和することにより、圧 電素子表面に亀裂が発生するのを防止し、さらに反りが生じ難い圧電デバイスおよ びこれを用いた圧電スィッチを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 上記の目的を達成するため、本発明に係る圧電デバイスは、厚み方向を分極方向 とする板状の圧電体および前記圧電体の両主面に設けられた一対の電極を有する 板状の圧電素子と、前記圧電素子の両主面に固着され、弾性を有する一対の導電 性部材と、を備え、外力を加えられたとき、前記圧電体が歪むことにより発電すること を特徴としている。
[0008] このように、本発明の圧電デバイスは、圧電素子の両主面に弾性を有する一対の 導電性部材が固着されている。これにより、圧電素子が外力の衝撃や外力により極 端に歪むことがないため、応力により圧電素子の表面に亀裂が入るのを防止すること ができる。また、圧電素子の表面に亀裂が入り、素子表面の電極が分断されても、発 電に寄与する素子面積を確保し、特性を劣化させることなく十分な電力を得ることが できる。また、二枚の導電性部材で一枚の板状の圧電体を挟む構成であるため、圧 電素子の反りを防止することができる。 [0009] また、圧電デバイスは、前記一対の導電性部材の弾性率が、前記圧電素子の弾性 率より大きいことが好適である。これにより、圧電素子が導電性部材の動きに追随し 易くすることができる。
[0010] また、圧電デバイスは、前記圧電素子が、両主面を固着された前記一対の導電性 部材により両主面に平行な方向に圧縮されて保持されていることが好適である。これ により、あらかじめ圧縮応力を圧電素子に与えて、外力により生じる引張り応力を緩 和することができる。その結果、引張り応力により圧電素子の表面に亀裂が入るのを 防止することができる。
[0011] また、圧電デバイスは、前記一対の導電性部材の熱膨張率が、前記圧電素子の熱 膨張率より大きいことが好適である。これにより、圧電素子との接着工程後に冷却さ れた導電性部材が収縮し、両主面に平行な方向に圧電素子を圧縮して保持すること ができる。
[0012] また、圧電デバイスは、前記圧電素子の一方の電極に固着される導電性部材の材 質および形状は、他方の電極に固着される導電性部材の材質および形状と同一で あることが好適である。これにより、圧電デバイスは、圧電素子を基準として対称的な 構造をとることになるため、均等に圧縮応力が働き反りの発生をさらに防ぐことができ る。また、圧電素子および導電性部材を自由振動させたとき、品質係数 Qが大きくな り、エネルギーの変換効率を向上させることができる。
[0013] また、圧電デバイスは、前記圧電素子は、矩形の板状であり、前記一対の導電性部 材は、前記圧電素子より長手方向の一方に長い矩形の板状であって、前記圧電素 子から長手方向の一方に突出し、前記導電性部材の、前記圧電素子から長手方向 の一方に突出する一対の端部を支持し固定する固定部をさらに備え、前記固定部は 、前記導電性部材の、前記圧電素子から長手方向の一方に突出する一対の端部の 間に、絶縁体が設けられていることが好適である。
[0014] これにより、一対の導電性部材の固定端の間に圧電素子が設けられている場合より エネルギー損失を少なくすることができる。また、固定部において導電性部材をその まま取り出し電極として、用いることができる。
[0015] また、圧電デバイスは、前記圧電素子は、前記圧電体が前記一対の電極より長手 方向の一方に長い矩形の板状であり、前記導電性部材の、前記圧電体に固着され ている一対の端部を支持し固定する固定部をさらに備えることが好適である。
[0016] これにより、一対の導電性部材の固定端の間に圧電素子が設けられている場合より エネルギー損失を少なくすることができる。電極を設けない部分については、圧電体 は分極処理がなされない。さら〖こ、圧電体に導電性部材を直接固着した場合には接 触が悪いため、逆圧電効果による損失は生じない。また、固定部において導電性部 材をそのまま取り出し電極として、用いることができる。また、電極を印刷する面積を 調整するだけで、簡易に作製することができ、手間やコストを削減できる。
[0017] また、本発明に係る圧電デバイスは、弾性を有し、板状に形成された中央の導電性 部材と、 前記中央の導電性部材の一方の主面に固着され、厚み方向を分極方向と し、板状に形成された第 1の圧電体および前記第 1の圧電体の両主面に設けられた 一対の電極を有し、板状に形成された第 1の圧電素子と、前記中央の導電性部材の 他方の主面に固着され、厚み方向を分極方向とし、板状に形成された第 2の圧電体 および前記第 2の圧電体の両主面に設けられた一対の電極を有し、板状に形成され た第 2の圧電素子と、前記第 1の圧電素子の、前記中央の導電性部材側とは逆側の 主面に固着され、弾性を有する第 1の導電性部材と、前記第 2の圧電素子の、前記 中央の導電性部材側とは逆側の主面に固着され、弾性を有する第 2の導電性部材と 、を備え、外力を加えられたとき、前記第 1の圧電体および前記第 2の圧電体が歪む ことにより発電することを特徴として 、る。
[0018] このように、本発明の圧電デバイスは、第 1の圧電素子および第 2の圧電素子のそ れぞれの外側に弾性を有する導電性部材が設けられている。これにより、圧電素子 が外力の衝撃や外力により極端に歪むことがな 、ため、応力により圧電素子の表面 に亀裂が入るのを防止することができる。また、圧電素子の表面に亀裂が入り、素子 表面の電極が分断されても、発電に寄与する素子面積を確保し、特性を劣化させる ことなく十分な電力を得ることができる。また、導電性部材で板状の圧電体を挟む構 成であるため、圧電素子の反りを防止することができる。また、圧電素子を 2枚用いて いるため、薄くても大きい電圧を得ることができる。
[0019] また、本発明の圧電スィッチは、上記の圧電デバイスと、前記圧電デバイスの前記 圧電素子および前記導電性部材に外力を伝達し屈曲させる外力伝達部と、外力を 伝達され振動する前記圧電素子により発生した電圧を前記一対の導電性部材から 取り出し、電気信号に変換する信号発生回路と、を備えることを特徴としている。
[0020] これにより、外力の衝撃や外力により、圧電素子が極端に歪むことがなぐ圧電素子 の表面に亀裂が入り圧電スィッチが破壊されるのを防止することができる。また、圧電 素子の表面に亀裂が入り、素子表面の電極が分断されても、発電に寄与する素子面 積を確保し、スィッチとしての十分な電気信号を得ることができる。また、二枚の導電 性部材で一枚の板状の圧電体を挟む構成であるため、圧電素子の反りを防止し、製 造しやすく壊れ難!、圧電スィッチを実現することができる。
発明の効果
[0021] 本発明に係る圧電デバイスによれば、外力の衝撃や外力により、極端に歪むことが な!、ため、圧電素子が応力により圧電素子の表面に亀裂が入るのを防止することが できる。また、圧電素子の表面に亀裂が入り、素子表面の電極が分断されても、発電 に寄与する素子面積を確保し、特性を劣化させることなく十分な電力を得ることがで きる。また、二枚の導電性部材で一枚の板状の圧電体を挟む構成であるため、圧電 素子の反りを防止することができる。
[0022] また、本発明に係る圧電スィッチによれば、外力の衝撃や外力により、圧電素子が 極端に歪むことがないため、圧電素子の表面に亀裂が入り圧電スィッチが破壊され るのを防止することができる。また、圧電素子の表面に亀裂が入り、素子表面の電極 が分断されても、発電に寄与する素子面積を確保し、スィッチとしての十分な電気信 号を得ることができる。また、二枚の導電性部材で一枚の板状の圧電体を挟む構成 であるため、圧電素子の反りを防止し、製造しやすく壊れ難い圧電スィッチを実現す ることがでさる。
発明を実施するための最良の形態
[0023] 以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。また、説明の理解を容易 にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を附し、重 複する説明は省略する。
[0024] (実施形態 1) 図 1は、圧電デバイス 1の断面図である。図 1に示すように、圧電デバイス 1は、圧電 体 2および電極 3を含む圧電素子 4、金属板 6ならびに固定部 10により構成されてい る。圧電体 2の材料は、たとえばジルコン酸チタン酸鉛 (PZT)系の圧電セラミックスで ある。 PZT以外の材料であっても、圧電体であれば特に一定の材料に限られない。 圧電体 2は、矩形の板状であり、図 1に示す矢印 Pの方向に分極している。ただし、圧 電体 2の形状は矩形の板状に限られるものではない。
[0025] 電極 3の材料は、銀、パラジウム、銅等の導体である。電極 3は、圧電体 2の両主面 に薄く焼き付けられており、圧電体 2および電極 3により板状の圧電素子 4が形成され ている。主面とは、板状体の面のうち厚み方向に対向する最も広い面をいう。なお、 電極を圧電体の両主面に薄く形成する方法は、印刷焼付けの他、溶射またはスパッ タリング等であってもよい。電極は薄く形成されるため、圧電素子全体の弾性率また は熱膨張率について、与える影響は無視することができるほど小さい。すなわち、圧 電素子の弾性率または熱膨張率は、圧電体の弾性率または熱膨張率とほぼ同一で ある。
[0026] 圧電素子 4の両主面には、導電性部材としての一対の金属板 6が固着されている。
これにより、外力の衝撃や外力に起因して圧電素子 4を金属板 6とともに屈曲させて も、極端に歪むことがなぐ応力により圧電素子 4の表面に亀裂が入るのを防止する ことができる。また、圧電素子 4の表面に亀裂が入り、電極 3が分断されても、発電に 寄与する素子面積を確保し、特性を劣化させることなく十分な電力を得ることができ る。また、二枚の金属板 6で一枚の板状の圧電体 2を挟む構成であるため、圧電素子 4に反りが発生し難くすることができる。金属板 6の材料は、圧電素子 4より弾性率お よび熱膨張率の大きい金属、すなわち SUS、リン青銅、チタン、ステンレス、銅等の バネ材であることが好ま 、。金属板 6は加熱した状態で圧電素子 4に接着され室温 に冷却されて用いられる。冷却により、金属板 6は収縮し圧電素子 4を両主面に平行 な方向に圧縮して保持する。そのため、両主面に固着された金属板 6から圧電素子 4 に圧縮応力を与えることができる。すなわち、圧電素子 4を金属板 6により両主面に平 行な方向に圧縮することができる。その結果、圧電素子 4を振動させたときに生じる引 張り応力を緩和させることができる。また、圧電素子 4を金属板 6の動きに追随させ易 くすることがでさる。
[0027] なお、金属板 6の材料は、これ以外にも導電性セラミックスを導電性榭脂に混入し たものや、カーボン繊維の入った榭脂等の導電性のある弾性体であってもよい。一対 の金属板 6は、両方とも同一の材料により同一形状に形成されて 、ることが好ま 、。 これにより、圧電デバイス 1は、圧電素子 4を基準に対称的な構造をとることになるた め、均等に圧縮応力が働き反りの発生をさらに防ぐことができる。また、圧電素子 4お よび金属板 6を自由振動させたとき、品質係数 Qが大きくなり、エネルギーの変換効 率を向上させることができる。
[0028] 圧電素子 4と金属板 6との固着は、熱硬化性榭脂等の接着剤により行なわれている 。図 1の断面図において示されているように、一対の金属板 6で圧電素子 4を挟むよう に積層されて板状体が形成されている。圧電デバイス 1が常温で使用されるものであ る場合には、圧電素子 4が常温において主面に平行な方向に圧縮応力を受けるよう に、金属板 6が圧電素子 4に固着されている。これにより、あらかじめ圧縮応力を圧電 素子 4に与えて、外力により圧電素子内部に生じる引張り応力を緩和することができ る。その結果、圧電素子 4の内部に発生する引張り応力により圧電素子 4の表面に亀 裂が入るのを防止することができる。
[0029] 結局、圧電デバイス 1の使用時に圧電素子 4が主面に平行な方向に圧縮応力を受 けていれば、引張り応力を緩和する効果を発揮できる。したがって、常温より低い温 度で使用する場合には、常温で硬化する接着剤を用いて、常温で圧電素子 4に金属 板 6を固着した圧電デバイス 1であってもよい。また、接着剤は導電性のものであって ちょい。
[0030] この板状体は、固定部 10によりその一端が固定されており、圧電デバイス 1は片持 ち梁の構成をとつている。固定部 10は、上記板状体の一端を、その両主面側から物 理的に締め付けることで固定している。また、固定方法として、接着剤を用いてもよい
[0031] 圧電デバイス 1の作製方法の一例を以下に示す。ジルコン酸チタン酸鉛 (PZT)系 の圧電体 2を一般的な圧電セラミックスの作製方法により作製する。この圧電体 2の 両主面に電極をスクリーン印刷して焼付けることにより、板状の圧電素子 4を得る。図 2 (a)に示すように、圧電素子 4の両主面に一対の金属板 6を、エポキシ榭脂を介して 接着し、圧電素子 4および金属板 6を圧着しながら加熱する。エポキシ榭脂が硬化す るのに十分な程度に加熱したら、室温まで冷却する。このとき、金属板 6の方が圧電 素子 4よりも熱膨張率が大きいため、図 2 (b)に示すように冷却された金属板 6の収縮 により、図中の Aおよび Bの方向に圧電素子 4は圧縮応力を受ける。したがって、室 温においては外力を受けない限り、圧電素子 4は常に圧縮応力を受けている状態に ある。次に圧電素子 4を分極処理する。分極処理は、たとえばキュリー温度以上の油 の中で行なう。最後に圧電素子 4および金属板 6により構成される板状体の一端を固 定部 10に固定することにより、圧電デバイス 1が作製される。
[0032] 次に圧電デバイス 1の動作を説明する。圧電デバイスは、以下に説明するように外 力が与えられると圧電素子が歪み発電する。
[0033] まず、図 3に示すように、圧電デバイス 1の片持ち梁の自由端に C向きの外力を加え る。これにより、圧電素子 4および金属板 6を有する板状体は屈曲する。このとき、圧 電体 2も金属板 6および電極 3とともに屈曲する。そして、図 4に示すように外力力も解 放された片持ち梁は、反対側に振れその後自由振動する。圧電体 2は金属板 6の屈 曲に追従して屈曲の振動をする。自由端が一方に振れたときには分極方向と逆方向 の電圧が生じ、他方に振れたときには分極方向と同方向の電圧が生じる。
[0034] 図 3に示す C向きの外力が加えられると、圧電デバイスの下側（曲率中心側）の電 極に対し、圧電デバイスの上側 (外周側）が伸長する方向に変位するため、上側の電 極の電位は、下側の電極よりも低くなる。すなわち、分極方向とは逆方向の電界が生 じる。図 4に示す状態では、圧電デバイスの下側 (外周側）の電極に対して、圧電デ バイスの上側（曲率中心側）が収縮する方向に変位するため、上側の電極の電位は 、下側の電極より高くなる。すなわち、分極方向と同方向の電界が生じる。
[0035] なお、圧電デバイス 1は、従来の発電用圧電デバイスに比べて、圧電体 2が金属板 6により保護されているため、亀裂は生じ難いが、図 5に示すような亀裂 20が生じる場 合もありうる。従来の発電用圧電デバイスでは、亀裂が生じるとそこ力も先の電極と取 り出し電極との導通がとれず、亀裂力 先の発電が無駄になってしまう。しかし、圧電 デバイス 1は、金属板 6が亀裂 20より先の電極に接しているため、万一亀裂が発生し た場合でも、効率を低下させずに機能させることができる。
[0036] (実施形態 2)
上記の圧電デバイス 1の片持ち梁の固定端は、圧電素子 4を一対の金属板 6で挟 んだ構造となっている力 図 6に示す圧電デバイス 31のように、固定端の部分のみを 、圧電素子 4の代わりに絶縁体 32を金属板 6に間に挿入した構造としてもよい。固定 端に圧電素子 4が固定されていても、圧電素子 4は変形しないため発電には寄与し ない。むしろ、自由端の振動により発生した電気エネルギーを固定端において消費 しうる。上記のような構成により、一対の金属板 6の固定端の間に圧電素子 4が設けら れている場合よりエネルギー損失を少なくすることができる。また、固定部 10におい て金属板 6をそのまま取り出し電極として、用いることができる。
[0037] また、固定端の部分のみを、圧電素子 4から電極 3が除かれた構造としてもょ 、。す なわち、固定端の部分を、圧電体 2が直接に金属板 6に挟まれた構造としてもよい。 電極 3を設けない部分については、圧電体 2は分極処理がなされない。さらに、圧電 体 2に金属板 6を直接固着した場合には、接触が悪いため、逆圧電効果による損失 は生じない。このため、発電に寄与しない金属板 6の一対の端部の間に圧電素子 4 が設けられている場合よりエネルギー損失を少なくすることができる。
[0038] この場合には、電極 3を印刷する工程で、固定端となる領域にはあら力じめ電極を 印刷しない。これにより、電極を印刷する面積を調整するだけで、簡易に作製するこ とができ、手間やコストを削減することができる。
[0039] (実施形態 3)
上記の圧電デバイス 1は、単板の圧電素子 4を有する構造となっている力 図 7に示 すように、 3枚の金属板の間に 2枚の圧電素子を挟んだ構造としてもよい。圧電デバ イス 41は、中央の導電性部材としての金属板 42、第 1の圧電素子としての圧電素子 46、第 2の圧電素子としての圧電素子 50、第 1の導電性部材としての金属板 51およ び第 2の弾性導電性部材としての金属板 52を備えている。
[0040] 金属板 42は、矩形の板状に形成されている。圧電素子 46は、第 1の圧電体として Q1方向に分極され、矩形の板状に形成された圧電体 43およびその両主面に設けら れた一対の電極 44および 45を有している。また、圧電素子 46は、板状に形成され、 金属板 42の一方の主面に固着されている。圧電素子 50は、第 2の圧電体として Q2 方向に分極された圧電体 47ならびにその両主面に設けられた一対の電極 48および 49を有している。また、圧電素子 50は、板状に形成され、金属板 42の圧電素子 46と は逆側の主面に固着されている。金属板 51は、圧電素子 46の、金属板 42とは逆側 の主面に固着されている。金属板 52は、圧電素子 50の、金属板 42とは逆側の主面 に固着されている。
[0041] このように、圧電デバイス 41は、圧電素子 46および圧電素子 50のそれぞれの外側 に金属板 51および 52が設けられている。これにより、圧電素子 46および 50が外力 の衝撃や外力により極端に歪むことがな 、ため、応力により圧電素子 46および 50の 表面に亀裂が入るのを防止することができる。また、圧電素子 46および 50の表面に 亀裂が入り、素子表面の電極が分断されても、発電に寄与する素子面積を確保し、 特性を劣化させることなく十分な電力を得ることができる。また、金属板 42、 51および 52のそれぞれの間に板状の圧電素子 46および 50を挟む構成であるため、圧電素 子 46、 50の反りを防止することができる。また、圧電素子を 2枚用いているため、薄く ても大き ヽ電圧を得ることができる。
[0042] 金属板 42、 51および 52の材料には、たとえば実施形態 1の金属板 6と同じ材料を 用いることができる。ただし、金属板 42、 51および 52の材料は特にこれに限定され ない。また、圧電素子 46および 50の材料には、たとえば実施形態 1の圧電素子 4と 同じ材料を用いることができる。ただし、圧電素子 46および 50の材料は特にこれに 限定されない。
[0043] 圧電デバイス 41の作製方法は圧電デバイス 1の作製方法と同様である。ただし、圧 電素子に金属板を、エポキシ榭脂を介して接着する工程においては、 3枚の金属板 の間に 2枚の圧電素子を挟んで圧着しながら加熱する。また、圧電体 43の分極方向 Q1と圧電体 47の分極方向 Q2とが同一方向になるように分極処理する。
[0044] 圧電デバイス 41の動作は圧電デバイス 1の動作と同様である。外力を与えられた圧 電素子 46および 50は屈曲し、自由振動する。自由端が、外力が与えられた向きに 振れたときには分極方向と逆方向の電圧が生じ、他方に振れたときには分極方向と 同方向の電圧が生じる。たとえば、外力を Q1とは逆向きに与えたとき、 Q1とは逆向き に自由端が振れたときは、圧電素子 46および 50は全体として収縮し、圧電素子 46 および 50は両方とも分極方向とは逆向きの電圧を発生させる。また、 Q1の方向と同 一方向に自由端が振れたときは、圧電素子 46および 50は全体として伸長し、圧電 素子 46および 50は両方とも分極方向 Q1および Q2と同じ向きの電圧を発生させる。
[0045] (実施形態 4)
また、上記の圧電デバイス 41は、圧電体 43の分極方向 Q1と圧電体 47の分極方 向 Q2が同一であるが、図 8に示すように、圧電体 63の分極方向 R1と、圧電体 67の 分極方向 R2とが逆向きであってもよい。圧電デバイス 61は、圧電デバイス 41とほぼ 同様の構造をしている。圧電デバイス 61の金属板 62、圧電素子 66、圧電体 63、電 極 64および 65、圧電素子 70、圧電体 67、電極 68および 69、金属板 71ならびに金 属板 72は、それぞれ圧電デバイス 41の金属板 42、圧電素子 46、圧電体 43、電極 4 4および 45、圧電素子 50、圧電体 47、電極 48および 49、金属板 51ならびに金属板 52〖こ相当する。ただし、圧電体 63の分極方向 R1と、圧電体 67の分極方向 R2とが 逆向きになるように分極処理されている。
[0046] 圧電デバイス 61の動作を説明する。外力を与えられた圧電素子 66および 70は屈 曲し、自由振動する。たとえば、自由端力 ¾2と同じ方向に振れたときには、中央の金 属板 62を基準として、圧電体 63は長手方向（固定端から自由端への方向）に伸長し 、圧電体 67は長手方向に収縮する。このようにして、電極 65と電極 64との間には、 R 1と同一向きに電圧が生じ、電極 69と電極 68との間〖こは、 R2とは逆向きに電圧が生 じる。また、自由端力 ¾1と同じ方向に振れたときには、中央の金属板 62を基準として 、圧電体 63は長手方向に収縮し、圧電体 67は長手方向に伸長する。このようにして 、電極 65と電極 64との間には、 R1と逆向きに電圧が生じ、電極 69と電極 68との間 には、 R2と同一向きに電圧が生じる。圧電デバイス 61の動作には、圧電デバイス 41 と異なる点もある力 圧電デバイス 61からは圧電デバイス 41からと同様の効果を得る ことができる。
[0047] (実施形態 5)
上記の圧電デバイス 1では、圧電素子 4の両主面の全面にわたって、一対の金属 板 6が固着されている力 両主面の一部にのみ一対の金属板が固着されていてもよ い。図 9は、圧電素子 4の両主面の一部にのみ一対の金属板が固着されている圧電 デバイス 91を示す斜視図である。圧電デバイス 91は、圧電体 92、一対の金属板 96 および電極（図示せず)から構成されており、電極（図示せず）は、圧電体 92と一対 の金属板 96との間に
設けられ、圧電体 92および一対の金属板 96に固着されている。
[0048] 図 9に示すように、一対の金属板 96は、板状の圧電体 92の両主面の一部のみに 固着されている。一対の金属板 96は、圧電体 92について対称に形成されていること が好ましい。これにより、圧電デバイス 91は、圧電体 92を基準に対称的な構造をとる ことになるため、均等に圧縮応力が働き反りの発生をさらに防ぐことができる。また、 圧電デバイス 91を自由振動させたとき、品質係数 Qが大きくなり、エネルギーの変換 効率を向上させることができる。
[0049] また、一対の金属板 96が固着される両主面の一部は、圧電デバイス 91の長手方 向（固定端から自由端への方向）にわたつていることが好ましい。たとえば、圧電デバ イス 91が屈曲したときにクラックが発生する場合には、通常図 10に示すように、長手 方向に垂直な方向にクラック 110が発生する。一対の金属板 96が、圧電デバイス 91 の長手方向（固定端から自由端への方向）にわたつて圧電体 92の両主面の一部に 固着されていれば、このようなクラック 110が発生しても導通を維持することができる。 また、この場合には、一対の金属板 96の部材を少なくすることにより、材料費を低減 できるという効果もある。
[0050] (実施形態 6)
実施形態 1〜実施形態 5で説明した圧電デバイス 1, 31, 41, 61または 91を圧電 スィッチに用いた実施形態を以下に説明する。
[0051] 図 11に示すように、圧電スィッチ 81は、圧電デバイス 82と、リード線 83および 84と 、信号発生回路 85とを備えている。圧電スィッチ 81はまた、圧電デバイス 82を駆動 するためのスィッチ 87と、スィッチ復帰用パネ 88と、ケース 89とを備えている。圧電 デバイス 82としては、上記の圧電デバイス 1, 31, 41, 61または 91が用いられる。圧 電スィッチ 81は、圧電デバイス 82の自由端にスィッチ 87によって力をカ卩えることによ つて圧電デバイス 82の片持ち梁を屈曲させることができるようになって 、る。 [0052] スィッチ 87は断面略 L字型の形状の部材と、その一端を揺動自在に保持する保持 部材とによって構成されている。通常の状態 (スィッチ 87を動作させない状態）にお いては、図 11に示すように、スィッチ 87の屈折部（折れ曲がつている角の部分）がケ ース 89の外側に突出するように、スィッチ 87の一端はスィッチ復帰用パネ 88に接し て付勢されている。このスィッチ復帰用パネ 88は、スィッチ 87の屈折部をケース 89の 内部に押し込むように人が外力をカ卩えたとき、スィッチ 87から外力を受けて屈曲し、 スィッチ 87を押し込む力が解除されたときにはスィッチ 87を元の状態 (通常の状態） に戻す。このように、スィッチ 87とスィッチ復帰用パネ 88は一体でプッシュオン Zプッ シュオフ型の手動スィッチを構成している。スィッチ 87は、圧電デバイス 82の自由端 に接して圧電デバイス 82を屈曲させる突起を有している。信号発生回路 85は、圧電 デバイス 82により発生し、リード線 83および 84により一対の導電性部材カも取り出さ れた電圧を、電気信号に変換する回路である。
[0053] 上記のような構成をとることにより、外力の衝撃や外力に起因して圧電デバイス 82 を屈曲させても、極端に歪むことがないため、圧電素子の表面に亀裂が入り圧電スィ ツチ 81が破壊されるのを防止することができる。また、圧電素子の表面に亀裂が入り 、素子表面の電極が分断されても、発電に寄与する素子面積を確保し、スィッチとし て十分な電気信号を得ることができる。また、圧電デバイス 82は、二枚の導電性部材 で一枚の板状の圧電体を挟む構成であるため、圧電素子の反りを防止し、製造しや すく壊れ難い圧電スィッチ 81を実現することができる。
[0054] 次に圧電スィッチ 81の動作を説明する。通常の状態では、スィッチ 87はスィッチ復 帰用パネ 88によって押し上げられた状態となっている。このときに突起は、圧電デバ イス 82の自由端の上方に位置している。
[0055] スィッチ 87の屈折部をケース 89の内側へ押し込むと、スィッチ 87の突起が圧電デ バイス 82の自由端に接して圧電デバイス 82を下向きに屈曲させる。スィッチ 87はス イッチ復帰用パネ 88がケース 89の底板に接するまで押し込むことができる。スィッチ 87を最後まで押し込む途中で圧電デバイス 82の自由端はスィッチ 87の突起力も離 れ、これにより圧電デバイス 82は自由振動を開始し、その後にこの自由振動は減衰 して静止する。 [0056] スィッチ 87を最後まで押し込んだ後にスィッチ 87を押している力を取り除くと、スィ ツチ復帰用パネ 88によってスィッチ 87は元の状態に戻るように押し上げられる。その 際に、スィッチ 87の突起は再び圧電デバイス 82に接して圧電デバイス 82を上向きに 屈曲させ、続いて圧電デバイス 82の自由端が突起から離れて圧電デバイス 82は再 び自由振動を開始する。その後に圧電デバイス 82の自由振動は減衰して、通常の 状態に戻る。
[0057] このようにして、圧電デバイス 82を屈曲振動させることによって、圧電体には圧電効 果 (主に横効果 (d31モード)）によって電圧が発生する。スィッチ 87を 1回押して元の 状態に復帰させた場合には、圧電デバイス 82は自由振動を 2回起こすために、圧電 デバイス 82からは、 2つの交流波形が時間を空けて出力される。これらの交流波形の 間の時間は、スィッチ 87を押し込んだ状態で保持する時間に依存して変化する。 図面の簡単な説明
[0058] [図 1]本発明に係る圧電デバイスの第 1の実施形態を示す断面図である。
[図 2] (a)加熱された圧電素子および導電性部材を示す断面図である。（b)冷却され た圧電素子および導電性部材を示す断面図である。
[図 3]本発明に係る圧電デバイスの第 1の実施形態を示す断面図である。
[図 4]本発明に係る圧電デバイスの第 1の実施形態を示す断面図である。
[図 5]本発明に係る圧電デバイスの第 1の実施形態を示す断面図である。
[図 6]本発明に係る圧電デバイスの第 2の実施形態を示す断面図である。
[図 7]本発明に係る圧電デバイスの第 3の実施形態を示す断面図である。
[図 8]本発明に係る圧電デバイスの第 4の実施形態を示す断面図である。
[図 9]本発明に係る圧電デバイスの第 5の実施形態を示す斜視図である。
[図 10]本発明に係る圧電デバイスの第 5の実施形態を示す斜視図である。
[図 11]本発明に係る圧電スィッチを示す断面図である。
符号の説明
[0059] 1 圧電デバイス
2 圧電体
3 電極 圧電素子
金属板 (導電性部材）
固定部
圧電デバイス
絶縁体
、 61 圧電デバイス
、 62 金属板（中央の導電性部材) 、 63 圧電体 (第 1の圧電体） 、 45、 64、 65 電極
、 66 圧電素子 (第 1の圧電素子） 、 67 圧電体 (第 2の圧電体） 、 49、 68、 69 電極
、 70 圧電素子 (第 2の圧電素子） 、 71 金属板 (第 1の導電性部材） 、 72 金属板 (第 2の導電性部材） 圧電スィッチ
圧電デバイス
、 84 リード線
信号発生回路
スィッチ（外力伝達部） スィッチ復帰用パネ
ケース
圧電デバイス
圧電体
金属板
0 クラック

Claims

請求の範囲
[1] 厚み方向を分極方向とする板状の圧電体および前記圧電体の両主面に設けられ た一対の電極を有する板状の圧電素子と、
前記圧電素子の両主面に固着され、弾性を有する一対の導電性部材と、を備え、 外力を加えられたとき、前記圧電体が歪むことにより発電することを特徴とする圧電 デバイス。
[2] 前記一対の導電性部材の弾性率は、前記圧電素子の弾性率より大き!、ことを特徴 とする請求項 1記載の圧電デバイス。
[3] 前記圧電素子は、両主面を固着された前記一対の導電性部材により両主面に平 行な方向に圧縮されて保持されて ヽることを特徴とする請求項 1または請求項 2記載 の圧電デバイス。
[4] 前記一対の導電性部材の熱膨張率は、前記圧電素子の熱膨張率より大きいことを 特徴とする請求項 1から請求項 3のいずれかに記載の圧電デバイス。
[5] 前記圧電素子の一方の電極に固着される導電性部材の材質および形状は、他方 の電極に固着される導電性部材の材質および形状と同一であることを特徴とする請 求項 1から請求項 4のいずれかに記載の圧電デバイス。
[6] 前記圧電素子は、矩形の板状であり、
前記一対の導電性部材は、前記圧電素子より長手方向の一方に長い矩形の板状 であって、前記圧電素子から長手方向の一方に突出し、
前記導電性部材の、前記圧電素子から長手方向の一方に突出する一対の端部を 支持し固定する固定部をさらに備え、
前記固定部は、前記導電性部材の、前記圧電素子から長手方向の一方に突出す る一対の端部の間に、絶縁体が設けられていることを特徴とする請求項 1から請求項
5の!、ずれかに記載の圧電デバイス。
[7] 前記圧電素子は、前記圧電体が前記一対の電極より長手方向の一方に長い矩形 の板状であり、
前記導電性部材の、前記圧電体に固着されている一対の端部を支持し固定する 固定部をさらに備えることを特徴とする請求項 1から請求項 5のいずれかに記載の圧 電デバイス。
[8] 弾性を有し、板状に形成された中央の導電性部材と、
前記中央の導電性部材の一方の主面に固着され、厚み方向を分極方向とし、板状 に形成された第 1の圧電体および前記第 1の圧電体の両主面に設けられた一対の電 極を有し、板状に形成された第 1の圧電素子と、
前記中央の導電性部材の他方の主面に固着され、厚み方向を分極方向とし、板状 に形成された第 2の圧電体および前記第 2の圧電体の両主面に設けられた一対の電 極を有し、板状に形成された第 2の圧電素子と、
前記第 1の圧電素子の、前記中央の導電性部材側とは逆側の主面に固着され、弾 性を有する第 1の導電性部材と、
前記第 2の圧電素子の、前記中央の導電性部材側とは逆側の主面に固着され、弾 性を有する第 2の導電性部材と、
を備え、
外力を加えられたとき、前記第 1の圧電体および前記第 2の圧電体が歪むことにより 発電することを特徴とする圧電デバイス。
[9] 請求項 6から請求項 8の 、ずれかに記載の圧電デバイスと、
前記圧電デバイスの前記圧電素子および前記導電性部材に外力を伝達し屈曲さ せる外力伝達部と、
外力を伝達され振動する前記圧電素子により発生した電圧を前記一対の導電性部 材から取り出し、電気信号に変換する信号発生回路と、を備えることを特徴とする圧 電スィッチ。
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