JPS6363095B2 - - 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
ルギ変換効率は高い。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、且つ両面に電極（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。この付勢手段
は、第２図では圧電駆動体２１と可動接点ばね２
３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２
２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２７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に
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、電界の印加・除去によりこれら
圧電素子が積層方向に伸長・収縮する変位を生じ
る圧電駆動体と、一方の端部を固定端となし、長
さ方向に積層方向を一致させて前記圧電駆動体の
積層方向両端部を挾持する固定突部および駆動突
部を備え、且つこの駆動突部から距離をもつて長
さ方向の他方の端部に、長さ方向にほぼ垂直に移
動して対向配置の固定接点部と接触・開離する可
動接点部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
で電極間距離が挾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３
２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
れを覆つた銀ペーストの外部電極３２０及び３３
０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を用いて説明
する。まず第５図ａにおいて、ほぼ水平面を成す
可動接点ばね５０は一端部近くに、基板を貫通し
て入出力端子を設け得る余裕をもつて、圧電駆動
体５１の一端を固定する固定突起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５１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５
３の位置と可動接点５４との距離は、電圧印加に
より伸長する圧電駆動体５１の変位により可動接
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
圧印加により縦方向に歪み、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
Ｃ点付近に移動させる。第５図ｃにおいて、Ａ点
からl₁の距離でｘの歪を生じたときはＡ―Ｂ間の
長さl₂によるＢ点からＣ点への変位ｙは次式で与
えられる。

ｙ＝（l₂／l₁）ｘ この式から、例えばＡ点付近のl₁＝0.2mmの位置
で0.01mmの歪が生じたときは、l₂＝20mmの位置で
ほぼ１mm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（l₂／l₁）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
ばね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
ばね６０の屈曲部６５を押上げることにより駆動
突起６３の根元付近Ａ点において可動接点ばね６
０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７
１の印加電圧用入力端子７１ｔ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により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
ばね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７４ｔ及び７５
ｔ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７０に封着する。
継電器動作は電圧を入力端子７１ｔに印加・除去
することにより圧電駆動体７１の伸縮運動が可動
接点７２ｃを移動させ、固定接点７４及び８５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
（外箱の一面に添つ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８５及び圧電駆動体
８１への印加電圧用入力端子８１ａ，８２ｂをそ
れぞれ並設且つ貫通して固定し、外蓋８６と共に
外箱を成す。可動接点ばね８２及び可動接点ばね
８５はそれぞれ接点の電気回路を形成する導電体
で引出端子を兼ねる。

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を備える可動接点ばね９２及び固
定接点ばね９５が接点を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９１ａ，９１ｂが
並設貫通される。

第１０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１０４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の接点移動行程でよく、又
二倍の接点押圧力が得られる。

上記第８図乃至第１０図の実施例における継電
器動作は第７図と同様、圧電駆動体の外部電極へ
の電圧の印加・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、従つ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せも可能であり、
例示された組せに限定されものではない。

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１１１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１
１８により固定板１１７と可動接点ばね１１６の
駆動突起とにより圧電駆動体１１１をおさえ、圧
電駆動体１１１の伸縮により可動接点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、接点ばね及び固定板を導
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。

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、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及び第６図はそれぞれ本発明の圧電継電
器に使用する可動接点ばねの一構成例を示す斜視
図、第５図ｂ及びｃは第５図ａの動作説明図、第
７図は本発明の圧電継電器として第５図ａの可動
接点ばねを使用した一実施例を示す斜視図、第８
図乃至第１０図は第５図ａ又は第６図の可動接点
ばねを使用したときのそれぞれ別の組合せによる
実施例を示す断面側面図、第１１図ａ〜同図ｄは
本発明に使用される可動接点ばねの別の各種構成
例を示す側面図である。 ３１…圧電素子、５０，６０，７２，８２，９
２，１０２，１１０，１１３，１１６，１１９…
可動接点ばね（可動体）、５１，６１，７１，８
１，９１，１０１，１１１…圧電駆動体、５２，
６２…固定突起（突部）、５３，６３…駆動突起
（突部）、５４，６４，７２ｃ，１０４，１１４…
可動接点（可動接点部）、７３…固定部（固定
端）、７４，７５…固定接点（固定接点部）、８
５，９５…固定接点ばね（固定接点部）。

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、電界の印
   加・除去によりこれら圧電素子が積層方向に伸
   長・収縮する変位を生じる圧電駆動体と、一方の
   端部を固定端と成し、長さ方向に積層方向を一致
   させて前記圧電駆動体の積層方向両端部を挾持す
   る固定突部および駆動突部を備え、且つこの駆動
   突部から距離をもつて長さ方向の他方の端分に、
   長さ方向にほぼ垂直に移動して対向配置の固定接
   点部と接触・開離する可動接点部を備える可動体
   とを有することを特徴とする圧電継電器。