JPS6280932A - 電気−機械変換装置 - 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】 〈発明の分野〉 この発明は、電歪素子や圧電素子のような電界の印加に
よって歪を生じる電気−機械変換素子を用いて有接点を
開閉するようにした電気−機械変換装置に関するもので
ある。

〈従来技術とその問題点〉 第４図は、従来のこの種の駆動装置の一例を示す。図に
おいて、１対の入力端子１ａ、ｌｂ間には、電流制限用
抵抗体２を介して、バイモルフ素子３が被動接続されて
いる。このバイモルフ素子３は誘電体からなり、電界の
印加によって歪を生じる１対の電気−機械変換素子、た
とえば電歪素子を接合してなり、その基端部３ｂが固定
されて片持ち支持されている。４は入力端子１ａ、ｌｂ
間に並列接続された放電抵抗体である。

いま、１対の入力端子１ａ、ｌｂ間に入力端子が印加さ
れると、電流制限用抵抗体２を介して電歪素子３に入力
端子が付勢される。このとき、上記入力端子は電流制限
用抵抗体２により制限される。に配電歪素子３は入力電
圧の大きさに応じた十を発生し、この電歪素子３の先端
部３ａが変位する。

一般に、電歪素子３はコンデンサと同じ性質をもってい
るため、電歪素子３単体に直接入力電圧を印加する構成
では、入力電圧を印加した瞬間に大きな電流が流れてノ
イズを発生し、たとえば電源を同一・とする半導体集積
回路などが接続されていると、この回路を誤動作させる
おそれがある。

しかしながら、■−記のように電流制限用抵抗体２によ
り、その入力電流が制限されるため、ノイズの発生が抑
制されて、電源を同一とする半導体集積回路などが接続
されていても、この回路を誤動作させるおそれがない。

また、入力端子を断ったとき、電歪素子３の蓄積電荷は
放電用抵抗体４を介して放電し、これによって電歪素子
３が初期状態に復帰する。

ところが、上述のように電歪よ子３はコンデンサである
ことから、その放電を速めて電歪素子３の復帰の応答性
を高めようとして、上記放電用抵抗体４の抵抗値を低下
させると１回路臼体の消費電力が増大する欠点がある。

これを改善するために、従来、第５図に示すように、ト
ランジスタ５のコレクターエミッタ間に電歪素子３を並
列接続したものが知られている。

図中、６は上記トランジスタ５の駆動用抵抗体。

７は入力電圧判別用のダイオード、８は逆流防止用のタ
イオードである。

いま、入力端子１ａ、ｌｂ間に入力端子１ａが正電位と
なるような入力電圧を印加すると、逆流防止用のタイオ
ード８、電流制限用抵抗体２、電歪素子３、入力端子判
別用のダイオード７を通って電流が流れる。この経路の
電流により、電歪素ｆ　３は入力端子に応じて、そのｒ
Ｉｆ動端部３ａが変位する。

入力端子が印加されている間の消費電力は、トランジス
タ５の駆動用抵抗体６で消費される電力であり、この抵
抗体６はトランジスタ５の増幅率を大きく選定すること
により、大きな値に設定することができ、そのため、こ
の回路の消費電力を非常に小さくすることができる。

つぎに、入力電圧をしゃ断すると、電歪素子３の充電電
荷は、トランジスタ５の駆動用抵抗体６を通って、この
トランジスタ５のベース−エミッタ間に流れ、このトラ
ンジスタ５を駆動することにより、そのコレクターエミ
ッタを通って放電される。この放電によって、上記電歪
素子３は急激に初期状態に復帰する。

ところが、第５図の構成では、電歪素子３の変位を持続
させるには、この電歪素子３に連続して電圧を印加しな
ければならず、このように電歪素ｆ−３の変位を持続さ
せると、電歪素子３が塑性変形する欠点がある。

以上のことは、電気−機械変換素子３として。

電歪素子ではなく、圧電素子のような電界の印加によっ
て歪を生じる素子を使用した場合の共通した欠点である
。

〈発明のＬＩ的〉 この発明は上記欠点を解消するためになされたもので、
バイモルフふ子を塑性変形させることなく、このバイモ
ルフ素子を低消費電力で変位させることができ、かつ応
答性の速い電気−機械変換装：？！Ｌを提供することを
目的とする。

〈発明の構成と効果〉 この発明による電気−機械変換装置は、バイモルフ素子
を動作用電気−機械変換二に子と復帰用電気−機械変換
素子とで構成し、入力電圧の印加時に充電されるコンデ
ンサと、入力電圧の印加時から上記コンデンサの充電が
完了するまで導通して動作用電気−機械変換素子に通電
する第１のスイッチング素子と、上記第１のスイッチン
グ素子がＯＦＦした時点から所定時間ＯＮする第２のス
イッチング素子と、入力電圧のしゃ断時に上記コンデン
サの放電が完了するまで導通して復帰用電気−機械変換
素子に通電する第３のスイッチング素子と、この第３の
スイッチング素子がＯＦＦした時点から所定時間ＯＮす
る第４のスイッチング素子と、上記バイモルフ素子が変
位したとき双安定機構を動作側もしくは復帰側へ駆動す
るとともにバイモルフ素子が初期状態に戻ったとき双安
定機構をその駆動状態に保持する連結片とを具備してい
る。

上記構成によって、バイモルフ素子は、入力電圧の印加
時としゃ断時の所定時間のみ電圧が印加されて直ちに初
期状態に戻るから、低消費電力で塑性変形を生じること
なく変位する。また、バイモルフ素子の動作および復帰
は、スイッチング素ｒ・のＯＮ、ＯＦＦで達成されるか
ら、その応答性を速めることができる。

〈実施例の説明〉 以ド、この発明の実施例を図面にしたがって説明する。

：（’ｒ　１図はこの発明による電気−機械変換装置の
−・例を示す。

図において、１対の入力端子１１ａ、ｌｌｂ間には、電
流制限用抵抗体１２を介して、バイモルフ素子１３が並
列接続されている。このバイモルフ＋、：　ｒ１３は誘
′屯体からなり、電界の印加によって歪を生□じる１対
の電気−機械変換素子、たとえば電歪素子１４ａ、１４
ｂを矢印で示すように、その分極方向を異ならせて、互
いに異方向へ歪を生しるように接合され、その）１（端
部１３ｂが固定されて片持ち支持されている。つまり、
一方の電や素子１４ａは動作ｍ′七余素子を、他方の電
↑素ｒ−１４ｂは復帰用電歪素子をそれぞれ構成する。

１５はバイモルフ素子１３の可動端部１３ａに設定され
た連結片で、この連結片１５には双安定機構１６におけ
るアクチュエータ１７の保合部１７ａが遊嵌される凹部
１５ａが形成されている。

１８は入力端子に接続されたコンデンサで、このコンデ
ンサ１８は入力゛電圧の印加時に充電される。１９は第
１のスイッチング素子で、この第１のスイッチング素子
１９は、たとえばトランジスタからなる。

バイモルフ素子１３の共通電極２０ｃは、電流制限用抵
抗１２を介して、一方の入力端子１１ａに接続され、ま
た、動作用電歪素子１４ａの他方の電極２０ａは、入力
電圧判別用のダイオード２１を介してｍｌのトランジス
タ１９のコレクタに接続されている。この第１のトラン
ジスタ１９は、そのベースが抵抗体２２を介して他方の
入力端子１１ｂに接続されるとともに、このベースと入
力端子１１ａとの間に上記コンデンサ１８が接続されて
いる。上記抵抗体２２は第１のトランジスタ１９の駆動
用である。

第１のトランジスタ１９のコレクタは、第２のトランジ
スタ２３のベースに直接に接続されている。２４は呑≠
第２のトランジスタ２３の駆動用抵抗体である。

これに対し、復帰用電歪素子１４ｂの他方の電極２０ｂ
は、入力端子判別用のダイオード２５を介して第３のト
ランジスタ２６のコレクタに接続されている。この第３
のトランジスタ２６は、そのベースが入力端子１１ｂに
接続されるとともに、このベースと入力端子１１ａとの
間に抵抗体２７が接続されている。この抵抗体２７は第
３のトランジスタ２６の駆動用である。

第３のトランジスタ２６のコレクタは、第４のトランジ
スタ２８のベースに直接に接続されている。２９は第４
のトランジスタ２８の駆動用抵抗体である。なお、１対
の入力端子１１ａ、ｌｌｂ間には、スイッチ３０を介し
て直流電源３１が接続され、また、抵抗体２７には定′
電圧ダイオード３２が並列接続されている。

つぎに、上記構成の動作を説明する。

いま、スイッチ３０が閉成されて、１対の入力端子１１
ａ、ｌｌｂ間に直流電源３１から入力電圧が印加される
と、電流制限用抵抗体１２を介してコンデンサ１８に充
電電流が流れて、このコンデンサ１８が充電されるとと
もに、第１のトランジスタ１９にベース’ｌＴｉ’流が
流れ、この第１のトランジスタ１９がＯＮする。

この第１のトランジスタ１９がＯＮすると、動作用電歪
素子１４ａに電圧が印加される。この動作用電歪素子１
４ａは一種のコンデンサであるから、この動作用電歪素
子１４ａの充電電流が、入力端子１１ａ−電流制限用抵
抗１２−動作用電歪素子１４ａ−ダイオード２１−第１
のトランジスタ１９−入力端子１１ｂの経路を流れる。

このとき、上記タイオード２１の順方向電圧により、第
２のトランジスタ２３はＯＮＬない。

北記動作用電歪素子１４ａが収縮すると、他方の復帰用
電歪素子１４ｂも矢印ａ方向へ湾曲する。上記コンデン
サ１８に対する充電が完了すると、第１のトランジスタ
１９のベースに電流が供給されず、第１のトランジスタ
１９はＯＦＦする。第１のトランジスタ１９がＯＦＦす
ると、動作用電歪素子１４ａの充電電圧で第２のトラン
ジスタ２３がＯＮＬ、動作用電歪素子１４ａの両端が短
絡され、」二記バイモルフ素子１３は初期状態に復帰す
る。

上記バイモルフ素子１３が動作側に湾曲したとき、その
先端に設定された連結片１５の段部１５ｂでアクチュエ
ータ１７の保合部１７ａを実線位置から仮想線位置へ変
位させ、双安定機構１６をセット動作させる。つぎに、
バイモルフ素子１３が初期状態に戻っても、連結片１５
に形成された凹部１５ａによるギャップで、双安定機構
１６はセット側に保持されたままとなる。なお、１対の
入力端子１１ａ、ｌｌｂ間に直流電源３１から入力電圧
が印加されているとき、第３．第４のトランジスタ２６
．２８はＯＦＦ状態である。

つぎに、スイッチ３０が開放されて、１対の入力端子１
１ａ、ｌｌｂ間における直流電源３１からの入力電圧が
しゃ断されると、コンデンサ１８からの充電電流が第３
のトランジスタ２６のベースに流れ、この第３のトラン
ジスタ２６がＯＮする。

この第３のトランジスタ２６がＯＮすると、復帰用主歪
素子１４ｂにコンデンサ１８の充電電圧が印加され、こ
のコンデンサ１８からの充電電流が復帰用電歪素子１４
ｂに充電□され、上記復帰用電歪素子１４ｂが収縮して
、他方の動作用電歪素Ｔ−１４ａも矢印す方向へ湾曲す
る。上記コンデンサ１８からの放電が完了すると、第３
のトランジスタ２６のベースに電流が供給されず、この
第３のトランジスタ２６はＯＦＦする。第３のトランジ
スタ２６がＯＦＦすると、復帰用電歪素子１４ｂの充電
電圧で第４のトランジスタ２８がＯＮし、復帰用主歪素
子１４ｂの両端が短絡され、上記バイモルフ素子１３は
初期状態に戻る。

Ｌ記バイモルフ素子１３が復帰側に湾曲したとき、その
先端に設定された連結片１５の段部１５Ｃでアクチュエ
ータ１７の係合部１７ａを仮想線位置から実線位置へ変
位させ、双安定機構１６をリセット動作させる。つぎに
、バイモルフ素子１３が初期状７８に戻っても、連結片
１５に形成された四部１５ａによるギャップで、双安定
機構１６はリセット側に保持されたままとなる。なお、
１対の入力端子１４　ａ　、　１　ｌ　ｂ間に直流電源
３１から入力電圧が印加されていないとき、第１．第２
のトランジスタ１９．２３はＯＦＦ状態である。

」−述したセットとリセット動作に関し、第１図に示し
た回路における各部の動作は、第２図に示すタイムチャ
ートの通りである。

第３図はこの考案による電気−機械変換装置の一例をリ
レーに適応させて示す一部破断した平面図である０図に
おいて、第１図と同一部分には同一の符号を付してその
詳しい説明を省略する。

バイモルフ素子１３の基端部１３ｂはベース３３に固定
した固定部材３４に片持支持され、リード片３５．３６
を介して、第１図で示した電子回路を組み込んだプリン
ト配線基板（図示せず）に電気的に接続され、電圧が印
加された際に、上記バイモルフ素子１３はその可動端部
１３ａ側か固足部材３４を支点として矢印ａもしくはｂ
方向へ湾曲するようになされている。

３７は固定接点３８．３９に接離する可動接点４０を先
端部３７ａに有する可動接触片で、各固定接点３８．３
９は固定端子４１．４２に設定されている。４３は共通
固定端子で、この共通固定端子４３の一端部４３ａには
可動接触片３７に一体に切り起し形成された舌片４４の
先端部４４ａが固定されるとともに、他端部４３ｂには
反転ばね部を構成する圧縮ばね４５の基端部４５ｂがヒ
ンジ支持され、かつこの圧縮ばね４５の先端部４５ａが
可動接触片３７の先端部３７ａに係止され、これによっ
て、可動接触片３７は緊張状態に保持されている。

さらに、上記可動接触片３７の基端部３７ｂとバイモル
フ素子１３の先端部１３ａとは、連結片１５の凹所１５
ａを介して連結されている。４６．４７は可動接触片３
７の復帰方向および動作方向側に位置するストッパで、
このストッパ４６．４７は一端部１３ｂが支持されたバ
イモルフ素子１３のｉｉ）動端部１３ａに当接するから
、上記／へイモルフＪＱ　−／−１３の変形、＋、＋を
規制することができる。

１−記の構成において、バイモルフ素子１３に電圧が印
加されていないとき、第３図（ａ）で示すように、バイ
モルフ素子１３は水平に延在しているため、可動接触片
３７の先端部３７ａは圧縮ばね４５にて固定接点３９側
に付勢されており、可動接点４０が固定接点３８に対し
て開放、固定接点３９に対して閉成している。

このような状態において、バイモルフ素子１３に所定の
電圧が印加されると、バイモルフ素子１３は第３図（ｂ
）で示すように、固定部材３４を支点に矢印ａ方向へ湾
曲する。このバイモルフ素子１３の湾曲によって、可動
接触片３７の基端部３７ｂが死安点Ｃを越えると、圧縮
ばね４５のばね力が逆方向に作用して、可動接点４０が
固定接点３９に対して開放、固定接点３８に対して閉成
される。

その後、バイモルフ素子１３に電圧が印加された状態に
おいて、第３図（Ｃ）で示すように、バイモルフ素子１
３が水平状態に復帰しても、上記接点はその動作した接
−触状態を保持する。

他方、電圧の印加をしゃ断すると、バイモルフ素子１３
は第３図（ｄ）で示すように、逆方向すへ湾曲する。こ
のバイモルフ素子１３の、湾曲によって、可動接触片３
７の基端部３７ｂが死安点Ｃを越え、圧縮ばね４５のば
ね力が逆方向に作用して、可動接点４０が固定接点３８
に対して開放、固定接点３９に対して閉成される。

その後、バイモルフ素子１３に電圧がしゃ断された状態
において、第３図（ａ）で示すように、バイモルフ素子
１３は水平状態に復帰しても、上記接点はその復帰した
接触状態を保持する。

なお、上記実施例においては、バイモルフ素子１３とし
て、電歪素子１４ａ、１４ｂを例に説明したけれども、
これは圧電素子のような電界の印加によって歪を生じる
他の素子であっても同様の効果を生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による電気−機械変換装置の一例を示
す電気回路図、第２図はその動作説明用のタイムチャー
ト、第３図はこの発明による゛上気−機械変換装置の一
例をリレーに適応して示す一部切欠した上面図、第４図
は従来の電気−機械変換″Ａ２１の一例を示す電気回路
図、第５図は従来の電気−機械変換装置の他の例を示す
電気回路図である。 １１ａ、ｌｌｂ・・・入力端子、工２・・・電流制限用
抵抗体、１３・・・バイモルフ素子、１３ａ・・・可動
端部、１４ａ、１４ｂ・・・電気−機械変換素子、１５
・・・連結片、１６・・・双安定機構、１８・・・コン
デンサ、１９・・・第１のスイッチング素子、２３・・
・第２のスイッチング素子、２６・・・第３のスイッチ
ング素子、２８・・・第４のスイッチング素子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）誘電体からなり電界の印加によつて歪を生じる１
   対の電気−機械変換素子を互いに異方向へ歪を生じて動
   作側および復帰側へ変位するように接合してなるバイモ
   ルフ素子と、このバイモルフ素子の可動端部に設定され
   かつ上記バイモルフ素子が変位したとき双安定機構を動
   作側もしくは復帰側へ駆動するとともに上記バイモルフ
   素子が初期状態に戻つたとき上記双安定機構をその動作
   もしくは復帰状態に保持する連結片と、入力端子に接続
   されかつ入力電圧の印加時に充電されるコンデンサと、
   上記入力電圧の印加時から上記コンデンサの充電が完了
   するまで導通して動作側へ変位する上記バイモルフ素子
   の動作用電気−機械変換素子に通電する第１のスイッチ
   ング素子と、上記動作用電気−機械変換素子に並列に接
   続されかつ第１のスイッチング素子がＯＦＦした時点か
   ら所定時間ＯＮする第２のスイッチング素子と、入力電
   圧のしや断時に上記コンデンサの放電が完了するまで導
   通して復帰側へ変位する上記バイモルフ素子の復帰用電
   気−機械変換素子に通電する第３のスイッチング素子と
   、上記復帰用電気−機械変換素子に並列に接続されかつ
   第３のスイッチング素子がＯＦＦした時点から所定時間
   ＯＮする第４のスイッチング素子とを具備してなる電気
   −機械変換装置。
2. （２）コンデンサの一端は入力端子に電流制限用抵抗体
   を介して接続され、その他端は第１のスイッチング素子
   の制御極に接続してなる特許請求の範囲第１項記載の電
   気−機械変換装置。