JPS59175530A - 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シ歪を発生する圧電素子を用い
た圧電継電器に関し、詳述するならは複数個の圧電素子
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。周知のとおシ
、圧電素子に電界が印加されると圧電気逆効果によシ機
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シ大きく、
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１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いて大きな
問題となっている。

上述したことによシ、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構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（ａｌ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ｌＯは二枚の圧電素子１１ａ　、ｌｌ
ｂ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■・Ｏの間で電界Ｅを生じるように電圧を端子
ｔａａ　、１３ｂに印加するときは、分極Ｐを有する圧
電素子１１ａ　、　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１
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（ｂｌにおいて、バイモルフ振動子ｌＯ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Ｌ５ｔ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。以上の構成によシ、端子１３ａ、１３ｂに電在を印
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１５を一リード線１
５を一可動接点１５−固定接点１６−リードばね板１６
８一端子１６ｔの回路を閉じ。

又電圧が除去されるときは帥記電気回路は開く。

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）を有したものであシ、電圧の印加
によシ長さ方向環伸びる横効果利用９四角柱状圧電駆動
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、且り他端に前記圧電
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２３の根元
は水平状態にあシ、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シ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
はね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。これによシ
、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勤行程が短かく、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勤行程については、第２図記載構成
の圧電継電器によシ解決できるが、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シ解
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υ−一層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
、電界によシこれら圧電素子が積層方向１ｃ機械歪を生
じる圧電駆動体とニ一方の端部を固定端と成し、且つ対
向配置の固定接点部と接触・開離する接点部を他方の端
部に有する可動体とを備え：前記圧電駆動体の積層方向
と前記可動体の伸長方向とを一致させ、且つ前記圧電駆
動体の一端を前記可動体の少くとも一つの突部に係合さ
せて並置したことを特徴とする。

ここで１本発明による圧電継電器に用いられる積層形圧
電駆動体にりいて説明する。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ボア
ンン比、りまシ約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は歪量の２乗、すなわち
ｌ：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
シ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ｐ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冥現できる。

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關、長さが９閣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ｌ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ＥＥｔ圧電駆動体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をと導出している。

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シ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２３０■の印加電圧で７８μｍ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ｌＯμｍ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１０
Ｖ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ｔｌは同
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　５．７ＸＯ
，１７（關３）の圧電素子を二枚重ねたパイモルフ振動
子による圧電駆動体、又第４図（ｂ）は９×３Ｘ２（ｍ
ｍ３）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１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／　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（ｂ）から次の計算式
４式％ によシはぼ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１本発明の実施例について図面を参照して説明する
。まず本発明による圧電継電器の基本構成部材について
第５図（ａ）　、　（ｂ）及び（Ｃ）ｋ用いて説明する
。ｌず第５図（ａ）において、はｔ’を水平面を成す可
動接点はね５０は一端部近くに、基板を貫通して入出力
端子を設は得る余裕をもって、圧電駆動体５１の一端を
固定する固定突起１．５２を、中央側に圧電駆動体５１
の他端を押える駆動突起５３を。

又他端部先端には可動接点５４を備える。圧電駆動体５
１は縦軸方向を可動接点ばね５０と平行に密接して配置
され、一端を可動接点ばね５０の固定突起５２に固着さ
れ、他端を駆動突起５３に接触して押上げ可能に配設さ
れる。駆動突起５３の位置と可動接点５４との距離は、
電圧印加によシ伸長する圧電駆動体５１の変位によシ可
動接点５４が対向して設けられる固定接点に移動し接触
するに十分な行程距離が得られる長さを有する。

次に、第５図（ｂ）において、圧電駆動体５１が電圧印
加によシ縦方向に歪み、駆動突起５３を押し上げるとき
は可動接点ばね５０が駆動突起５３の根元Ａ点付近で湾
曲し、可動接点５４をＢ点から０点付近に移動させる。

第５図（ｃ）において、Ａ点からｔｌの距離でＸの歪を
生じたときはＡ−Ｂ間の長さｔ２によるＢ点から０点へ
の変位ｙは次式％式％ ） この式から、例えばＡ点付近の１ｌ＝０．２　ｒａｎの
位置で０．　Ｏｌ　ｒａｎの歪が生じたときはｈ　　ｔ
２＝２０ｍｍの位置でｔｌば１ｒｃｎの移動行程となる
。このように。

圧電駆動体の歪量は上式によるほぼ（ｔｚ／１１）倍に
拡大された可動接点移動行程が得られる。

第６図は、第５図とは別の構成例を示す基本構成部材の
斜視図である。第６図において、可動接点ばね６０は前
記第５図同様の固定突起６２及び可動接点６４と共に屈
曲部６５を備えるが駆動突起６３は歪による伸縮が現わ
れる圧電駆動体６１の突端に接し、屈曲部６５に固着す
る。可動接点はね６０は可動接点６４の装着部及び圧電
駆動体６１の挾持部が圧電駆動体６１の長さ方向に平行
を成している。又、駆動突起６３は可動接点ばね６０に
は接するだけで圧電駆動体６１に固着してもよく、この
構造で圧電駆動体６１に電圧を印加して歪が生じたとき
は、駆動突起６３が可動接点はね６０の屈曲部６５を押
上げることによシ駆動突起６３の根元付近Ａ点において
可動接点はね６０が湾曲して前記第５図の説明と同様、
可動接点６４の移動運動が生じる。本実施例では可動接
点ばね６０が屈折した屈曲部６５を備えたが湾曲形のと
きも効果の減少はみられるが同様機能を発揮することが
できる。

次に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。

第７図は第５図の可動接点ばねを使用した圧電継電器の
一実施例を示す斜視図である。長方形の絶縁体基板７０
はその一表面のほぼ中央に縦効果を示す圧電素子による
圧電駆動体７１を備えた導電体の可動接点ばね７２を配
設し、圧電駆動体７１の印加電圧用入力端子７１ｔを貫
通させ、圧電駆動体７１の固定側で可動接点ばね７２の
端部を固定部７３によシ固定すると共に可動接点の電気
回路引出用出力端子７２ｔを貫通させ、又可動接点はね
７２が、平常のとき接触する固定接点７４及び駆動した
とき接触する固定接点７５のそれぞれが可動接点７２ｃ
に対峙して設けられると共にそれぞれの電気回路引出用
出力端子７４【及び７５ｔが貫通している。外箱７６は
可動接点ばね７２を含む継電器構成品を包み基板７ｏに
封着する。継電器動作は電圧を入力端子７１ｔＫ印加・
除去することによシ圧電駆動体７１の伸縮運動が可動接
点７２ｃを移動させ、固定接点７４及び７５をそれぞれ
ブレーク接点及びメーク接点として電気回路の閉成及び
開放が実現する。

次に第８図は第５図の可動接点ばねを使用した圧電継電
器の別の実施例を示す内部透視側面図（外箱の一面に添
って切断したときの断面図）である。絶縁体基板８０は
圧電駆動体８１を備えた可動接点ばね８２、固定接点ば
ね８５及び圧電駆動体８１への印加電圧用入力端子８１
ａ、８２ｂをそれぞれ並設且つ貫通して固定し、外蓋８
６と共に外箱を成す。可動接点はね８２及び固定接点ば
ね８５はそれぞれ接点の電気回路を形成する導電体で引
出端子全能ねる。

第９図は第６図の可動接点ばねを使用した圧電継電器の
一実施例を示す内部透視側面図である。

圧電駆動体９１を備える可動接点はね９２及び固定接点
はね９５が接点ケ対向させてそれぞれ反対端に、一方は
可動接点の出力端子として、他方は固定接点の出力端子
として封入ガラス９６を貫通して設けられる。又、可動
接点ばね９２に圧電駆動体９１の印加電圧用入力端子９
１ａ、９１ｂが並設貫通される。

第１θ図は第６図の可動接点ばね１０２を二組、可動接
点１０４を対向して位置させ、それぞれの可動接点ばね
１０２の絶縁固定基板１００は外箱の対向面を成した圧
電継電器の一実施例を示す内部透視側面図である。この
実施例の可動接点ばね１０２は、対向する可動接点１０
４が両方共移動連動するので前記説明のものと同一の可
動接点ばね１０２では１／２の接点移動性根でよく、又
二倍の接点押圧力が得られる。

上記第８図乃至第１Ｏ図の実施例における継電器動作は
第７図と同様、圧電部・動体の外部電極への電圧の印加
Φ除去による圧電駆動体の伸縮運動が可動接点ばねを湾
曲させると共に先端部の可動接点を往復運動させ、従っ
て対向する接点と接離して電気回路を閉成・開放する。

又、基板、外箱。

ガラス封止管などと内蔵される継電器構成とは図示され
た相互間で何れの組合せも可能であハ例示された組合せ
に限定されるものではない。

第１１図（ａ）〜同図（ｄ）は可動接点ばねの上記以外
の構成例を示す。第１１図（ａ）は圧電駆動体の積層方
向の端面において、第５図（ａ）の構造では一方の端面
が密着固定していたのに対し、両方共押接係合している
ので接点ばね１１０をＡ点だけでなくＤ点付近も湾曲さ
せる圧電駆動体１１１の保持構造、第１１図（ｂ）は基
板１１２を利用して可動接点ばね１１３と圧電駆動体ｉ
ｌｌ　とを並設固定した構造、第１１図（ｃ）は可動接
点ばね１１６を固定板１１７とＡ点で回動可能に軸結合
し、結合ばね１１８によυ固定板１１７と可動接点はね
１１６の駆動突起とによシ圧電駆動体Ｉｌｌをおさえ、
圧電駆動体１１１の伸縮によシ可動接点１１４が往復運
動するような構造、又第１１図（ｄ）はほぼ直角に屈折
した屈曲部１１９を有した構造をそれぞれ示し、これら
は上記実施例と同様の機能が発揮できる。

上記実施例において、接点はね及び固定板を導電体とし
て接点から引出端子への電気回路に組込んで説明したが
、接点と端子とを別の導電線で結ぶとき接点ばねは導電
体に限定されるものではない。上記説明で特に触れてい
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
施されている０以上説明したように、本発明によれば、
エネルー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、可動体に組
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シ増大させることによシ、従来の
縦効果歪利用の圧電素子駆動電圧よシ一層低電圧で動作
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シ圧電素子
の横効果型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型を利用した従
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
効果歪利用の積層膨圧！駆動体によシ示される変位・応
力特性図、第５図（ａ）−待合（ロ）及び第６図はそれ
ぞれ本発明の第５図（ａ）呻詩醤（ロ）の可動接点ばね
を使用したー実施例會示す斜視図、第８図乃至第１θ図
は第５図（ａ）壽待詩（ロ）又は第６図の可動接点ばね
を使用した点ばねの別の各ａＩ構成例を示す側面図であ
る。 ３１・・・・・・圧電素子、５０，６０，７２，８２，
９２゜１０２．１１０，１１３，１１６，１１９・・・
・・・可動接点はね（可動体）、５１，６１，７１，８
１，９１，１０１゜ｌｌｌ・・・・・・圧電駆動体、５
２．６２・・・・・・固定突起（突部）、５３．６３・
・・・・・駆動突起（突部）、５４゜６４．７２ｃ、１
０４，１１４・・・・・・可動接点（可動接点部）、７
３・・・・・・固定部（固定端）、７４．７５・・・・
・・固定接点（固定接点部）、８５．９５・・・・・・
固定接点ばね（固定接点部）。 冶　／　ｒｆｉａ　　ｒａ） 禅’ｙ　　　／　　ＴｊｆＪ（ｂ） 第Ｚ図 心４目（ｌｌ） Ｐ（Ｉｔ） 第４図（ｂ） 第　ξ　図 ６クノ （ｂ） （Ｃ） ス 第　６　図 Ａρ 喬　７　ｌ 第　δ　閏 活　ｑ　図 第　／θ　霞

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、電界によシこれら圧電素子
   が積層方向に機械歪を生じる圧電駆動体と；一方の端部
   を固定端と成し、且つ対向配置の固定接点部と接触・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
   ；前配圧笥駆動体の積層方向と前記可動体の伸長方向と
   を一致させ、且つ前記圧電駆動体をその少くとも一端で
   前記可動体の少くとも一つの突部に係合させて並置した
   こと１ｒ：％徴とする圧電継電器。