JP2004533708A - 圧電トランスおよび動作方法 - Google Patents
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Abstract
圧電トランスは、複数対の入力電極/出力電極を有し、これらの入力電極および出力電極は、圧電体上で、前記圧電体上に重ねた、共振状態の圧電体の振動モードに対応する波形を有する定常正弦波の周期位置に対応する位置に位置する。このトランスは、その入力領域と出力領域の間の寄生結合を軽減するために、接地ガード電極も有する。
Description
【0001】
【発明の背景】
本発明は、一般に圧電デバイスに関し、より詳細には、入力交流電流を供給される圧電トランスに関する。
【0002】
【従来の技術】
テレビのデフレクタや複写機の充電器など、高電圧を必要とするデバイスの内部電力回路で高電圧を発生させるために、巻線型電磁トランスが使用される。このようなトランスは、磁気コアに巻き付けた導体からなる。高い変圧比を実現するためには多くの巻き数が必要となるので、小型かつ薄型のトランスを製造することはきわめて困難である。
【0003】
この問題に対処するために、圧電効果を利用した圧電トランスが開発されている。図1は、Ohnishiの米国特許第5806159号によるRosen型圧電トランスを示す図である。圧電材料のプレート102は、上側入力電圧104および下側入力電圧106を有し、これらが圧電プレート102の駆動または入力領域108を画定する。プレート102の残りの部分は、発電器または出力領域110となり、その端部に出力電極112を有する。入力領域108は、図に矢印114で示すように電極104および106に対して直角に分極され、出力領域110は、図に矢印116で示すように電極112に対して直角に分極される。
【0004】
この圧電トランスは、以下のように動作する。外部リード線118および120から入力電極104と106の間に電圧が印加されると、分極方向に電界が強くなり、圧電横31効果と呼ばれる、分極に直角な方向に変位した圧電効果によって、電極104および106に平行な横方向の長手方向振動が励起され、トランス全体を振動させる。さらに、出力領域110では、圧電効果により分極方向に機械的歪みが生じることによって分極方向に電位差が生じることにより、入力電圧と同じ周波数を有する電圧が出力電極112から外部リード線122に発生する。このとき、電圧の入力周波数を圧電トランスの共振周波数と等しくすれば、高い出力電圧を得ることができる。
【0005】
この圧電トランスは、共振状態で使用される。通常の電磁トランスと比較すると、この圧電トランスは、例えば、1)巻線型構造が不要であり、エネルギー密度が高いために、小型かつ薄型の形状を達成できること、2)不燃性にすることができる可能性があること、3)電磁誘導ノイズがないこと、など、多くの利点を有する。さらに、Rosen型圧電トランスはモノリシックであり、このことにより、高温での接合層の軟化による効率低下など接合に関する問題が生じないという点で、多層デバイスに優る利点を有する。
【0006】
Rosen型およびその他の型の従来の圧電トランスでは、(フーリエ変換f0+3f0+5f0...+nf0による連続した正弦波の高調波成分を有する)方形(矩形)波形入力で、基本周波数のみの正弦波形を有する出力が発生する。正弦波の立上り時間および立下り時間は方形波よりはるかに遅く、また、オフ状態とオン状態の間の移行中にはトランジスタ中でかなりの電力損失があるため、トランジスタスイッチをオフおよびオンに駆動する際には(DC−DCパワーコンバータなど)素早い立上り時間および立下り時間が重要であるので、これは欠点となる可能性がある。
【0007】
さらに、Rosen型およびその他の従来の圧電トランスでは、入力領域と出力領域の間に寄生容量があるため、入力領域と出力領域が電気的に完全には分離されていない。
【0008】
【発明の概要】
本発明は、方形波入力の基本周波数および第3次高調波周波数を通すことができ、寄生容量を低下させた、圧電トランスおよび動作方法を提供する。
【0009】
この新しい圧電トランスは、その主要表面に対して直交する一様な極性を有する方形の薄い圧電プレートの形をした、モノリシックで平坦な構造を有する。入力電極および出力電極の対を、圧電プレートの上面および底面に形成する。このデバイスはモノリシックであるので、多層デバイスについて回る接合の問題(例えば接合の弾性など)は生じない。ただし、より大きな出力電流が望ましい場合には、トランス層を積み重ねることもできる。
【0010】
3電極対の実施形態では、このデバイスは、方形波入力の基本周波数および第3次高調波周波数を通過させ、疑似方形波出力を生成することができる。疑似方形波は、真の方形波よりは若干遅いものの、正弦波よりははるかに速い立上り時間および立下り時間を有する。
【0011】
本発明による圧電トランスは、さらに、いずれかの極性を有する分離した出力を複数発生させることができる。これは、MOSFETパワートランジスタの入力ゲートなどの容量性負荷を駆動するのにも、抵抗性または抵抗性/容量性回路などのその他の負荷を駆動するのにも適している。
【0012】
寄生容量は、入力領域と出力領域の間のリーク電流を接地することによって最小化される。これは、接地ガード電極などの接地要素を、入力領域と出力領域の間に配置することによって達成することができる。モノリシックトランスでは、接地要素は、入力領域と出力領域の間で、圧電体の表面の周りの連続バンドとして配置された、薄い電極にすることができる。これにより、圧電材料の誘電率に左右されるのであるが、漂遊容量を10分の1ないし20分の1に低下させることができ、有効入出力結合容量を入力容量の1〜5%まで低下させることができる。
【0013】
さらに、電磁トランスと比較すると、この新しい圧電トランスは、小型であり、製作が容易であり、低コストであり、磁気による干渉の影響を受けない。
【0014】
【発明の実施の態様】
図2〜4は、本発明の様々な実施形態を示すために本明細書で構築ブロックとして使用される基本圧電トランス200を示す図である。圧電トランスの様々な実施形態を示すこれらの及びその他の図面は、一定の比率で描かれたものではないことに留意されたい。
【0015】
この圧電トランスは、セラミックまたは単結晶にすることができる圧電材料体202を含み、長さ226、厚さ228(通常は1mm以下)、および幅230を有する薄いプレートの形をしている。圧電プレート202の分極は、図2および図3に矢印204で示すように厚さ方向に配向されている。面積の等しい一対の入力電極206および208、ならびにやはり面積の等しい一対の出力電極212および214は、スパッタ堆積およびフォトリソグラフィなどの技術を使用して、プレート202の上部主要面および底部主要面に配置される。入力電極および出力電極は、プレートの上面および底面で同様の電極形状を有し、入力領域210および出力領域216をそれぞれ画定する。外部リード線218、220、222および224は、入力電極206および208ならびに出力電極212および214にそれぞれ接続される。
【0016】
圧電プレートは、高電圧(厚さ1mmの材料に対して約1000から3000ボルト)を印加されることによって一様な分極方向に分極される。これについては、B.Jaffe、W.R.CookおよびH.Jaffeによる「Piezoelectric Ceramics」(Academic Press、N.Y.、1971年)の16ページを参照されたい。
【0017】
入力電極206、208を介して入力領域の両端間に電圧232を印加することで、横方向の電気機械的結合定数k31によってデバイス内で横方向の内部応力が発生する。この応力は、デバイスの長さ226および圧電材料中の音速によって決まるデバイスの共振周波数で最大値に達する(Jaffe、Cook、Jaffeの30、31ページ参照)。したがって、例えば、基本共振周波数での内部応力は、デバイスの長さの2倍に等しい波長を有する音響定常波からなる。その後、この内部応力が、出力電極において横方向結合定数k31で変換されて電荷に戻され、出力電極212と214の間に出力電圧234を生じる。(さらなる参考のためには、Encyclopedia of Electronics and Computers、S.Parker、McGraw−Hill、1984年、625〜630ページを参照のこと。)
開路の電圧利得は、次の式に従って、入力電極と出力電極の面積比、および圧電材料定数に応じて変化する。
【0018】
【数1】
ここで、VoutおよびVinはそれぞれ出力電圧および入力電圧であり、βは電極の幾何形状および入力電圧と出力電圧の面積比によって決まる比例定数であり、Qは共振時の材料のQ値であり、k31は材料の横方向圧電結合定数である。通常は、βは、接点の面積が等しい場合には1に近い値となる。Q値は1000に到達することもあり、ほとんどの圧電材料ではk31≦0.4である。開路デバイスには内部出力容量が装荷されているので、外部負荷容量を追加することにより、それに比例した量だけ負荷インピーダンスが低下し、したがってデバイスの電圧利得が低下する。容量性負荷を追加することにより、共振周波数が非常にわずかな量(通常は1〜2%)だけ変化するが、デバイスのQはそれほど変化しない。
【0019】
さらに、基本共振周波数は、圧電プレートの長さによって決まるが、その幅は任意の所望値にすることができる。幅は、通常は長さより長く、入力電極および出力電極の面積を最大にすることによって、デバイスの出力インピーダンスが最低になる。
【0020】
図2〜4に示す基本圧電トランス、および図1に示すRosen型などの従来の圧電トランスは、正弦波の基本周波数のみを通すことができる。しかし、このデバイスは、圧電プレートの中心に関して対称な形状となる複数の入力および/または出力領域を有することにより、基本周波数の複数の高調波を通過させることができる。理論的には、単一の圧電プレート上に任意数の入力領域および出力領域を有することができる。図2〜4に示すように、これらの領域はそれぞれ、上側電極と下側電極の対によって画定される。
【0021】
図5〜7は、3電極対幾何形状を有する圧電トランス500を示す図である。これは、電極対が追加されていることを除けば、図2〜4に示す圧電トランスと同様である。図5〜7では、図2〜4の圧電材料体202と同様の圧電材料体502は、長さ526、厚さ528(通常は1mm以下)、および幅530を有する。圧電プレート502の分極は、図5および図6に矢印504で示すように厚さ方向に配向されている。面積のほぼ等しい2対の入力電極506および508と513および515は、プレート502の両端部で上面および底面に配置され、入力領域510および511を画定している。面積のほぼ等しい一対の出力電極512および514は、入力領域510と511の間でプレート502の上面および底面に配置され、出力領域516を画定する。プレートの上面および底面の電極の幾何形状は同様である。外部リード線518、520、522、524、523および525は、入力電極506、508、513および515ならびに出力電極512および514にそれぞれ接続される。入力領域は、その領域を画定している入力電極対の両端間に電圧532を印加することによって駆動される。各領域の両端間の電圧は、出力が最大となるように圧電プレート502の基本共振周波数に対応する同じ周波数を有し、したがって、2対の入力電極506および508と513および515とに共通の電源を設けることが好ましい。このような3電極対幾何形状であることにより、このデバイスは、方形波形を有する入力電圧532の基本周波数および第3次高調波を通過させて、疑似方形波形を有する出力電圧534を形成することができる。
【0022】
また、中央の領域を入力とし、外側の2つの領域を2つの個別の出力として、疑似方形出力を得ることもできる。このデバイスを図26に示す。同図において、512および514は、入力領域516を画定する入力電極であり、506および508ならびに513および515は、出力領域510および511を画定する2つの出力電極対である。外部入力リード線2602および2604は、このデバイスを駆動するための電源2606に接続される。さらに、外部出力リード線2608および2610と2612および2614とはそれぞれ、出力領域510および511のそれぞれの両端間で、2つの別個の出力2616および2618をもたらす。これらの出力領域を互いに接続して、有効出力電流を2倍にすることもできる。
【0023】
図8は、基本周波数および第3次高調波周波数で構成された疑似方形出力波形800のプロットであり、図9は、この疑似方形波形を、対応する正弦波形900および純粋な方形波形902と比較した図である。発生した疑似方形波形は、純粋な方形波よりは遅いものの、正弦波よりははるかに速い立上り時間および立下り時間を有する。
【0024】
したがって、疑似方形出力を発生するこの新しいデバイスは、より敏速にトランジスタスイッチをオフおよびオンに駆動することができ、またオフ状態とオン状態の間の移行中にはかなりの電力損失が発生するので、より効率的にトランジスタスイッチを駆動することができる。さらに、3電極対デバイスは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の入力ゲートなどの容量性負荷を駆動するのに理想的に適している。MOSFETがオフ出力導通状態からオン出力導通状態に移行する際に、MOSFETの入力容量は劇的に減少し、その後再度上昇する。最終的な結果として、この圧電トランスによってMOSFETゲートが駆動されると、オフとオンの間の移行域においてMOSFETの負荷容量が低下することにより、このトランスの疑似方形波出力の電圧遷移は加速される。MOSFETトランジスタだけでなく、3電極対デバイスは、抵抗性または抵抗性/容量性負荷など、その他の負荷を駆動することもできる。
【0025】
出力波形は圧電体上の入力領域が対称であることの影響を受けるので、この3電極対デバイスでは、第3次高調波周波数および基本周波数を通過させる。図10は、入力領域1002、1004および出力領域1006を有する3電極対圧電プレート1000と、このプレートの長さ1008に沿って重ねた、圧電プレートの振動モードに対応する半周期の定常正弦波1010とを示す図である。図11は、同じ圧電プレート1000を、その長さに沿って重ねた3/2周期の第3次高調波の正弦波1100とともに示す図である。これらの図面から分かるように、入力領域および出力領域の対称性は、第3次高調波および基本波の対称性に対応する。したがって、所望の出力の波形を重ね合わせて、それに対応する対称点で圧電体に入力電圧を印加することにより、その他の所望の波状出力を生成することも可能である。
【0026】
図12は、図5〜7の圧電トランスと同様であるが、n個の電極対を有する、圧電トランス1200を示す図である。ここで、nは2より大きい任意の数である。3電極対の実施形態の場合と同様に、入力領域と出力領域は交互になっている。したがって、第1の電極1202は、入力領域を画定することも、出力領域を画定することもある。また、同じ周波数の電圧が各入力電極に印加され、出力は、結合することも、分離しておくこともできる。
【0027】
原理的には、本発明は任意数の高調波に拡張することができるが、セラミックPLZT圧電体(米国特許第5595677号参照)上に5つの電極対を設けて行った実験では、測定可能ではあるが微弱な第5次高調波しか示さず、ニオブ酸ストロンチウムバリウム(SBN)結晶圧電体を用いた実験では、ほとんど検出不可能な第5次高調波しか示さなかった。
【0028】
この新しい圧電トランスの別の特徴は、ガード電極を用いて入力領域と出力領域の間の寄生容量結合を低下させることである。図13は、図2〜4に示す2電極対デバイス200を用いて、寄生結合の問題について説明する図である。使用する材料が誘電体であるので、入力領域210と出力領域216の間には、コンデンサ回路分岐1300および1302を表す破線で示す容量性結合が存在する。この容量性結合により、図中に矢印1304で示すように入力電極と出力電極の間にリーク電流が生じ、入力と出力の間の完全な電気的分離が失われることになる。
【0029】
寄生結合を軽減するために、2つの領域の間に位置する接地要素によって入力領域210と出力領域216の間の電流のリークを接地する。この接地要素は、入力領域と出力領域の間に位置する接地ガード電極であることが好ましい。図14〜16は、このような接地電極1400を備えた図2〜4の圧電トランスの例を示す図である。電極1400は、入力電極および出力電極と同じ材料にすることができ、圧電プレートの表面の周りの好ましくは1mm以下程度の幅を有する薄いバンドとして配置される。このバンドは、入力電極および出力電極に使用したプロセスと同じ堆積プロセスで堆積させることができ、入力領域210と出力領域216との間を分離する。電極1400は、電気的接地(0ボルト)回路に接続することによって接地される。この接地電極は、通常は、漂遊容量の影響を10分の1ないし20分の1に低下させ、有効結合容量を入力容量の1〜5%(使用する材料の誘電率によって決まる)にまで低下させる。
【0030】
ガード電極を備えることにより、MOSFETの入力間の寄生容量結合経路について考慮する必要がなくなるため、電子設計を大幅に簡略化することができる。MOSFETトランジスタなどの能動デバイスを駆動する場合には、ガード電極は、MOSFETとトランスへの入力源との間の、場合によっては望ましくない相互作用を最小限に抑えることができる。同様に、複数の圧電トランス出力によって駆動されるMOSFET間の結合相互作用も軽減することができる。
【0031】
さらに、接地電極により、トランスの利得およびQ値も改善されることが分かっている。
任意数の入力/出力領域を有する圧電トランスは、各領域の間にガード電極を有することができる。したがって、n個の電極対を有する圧電トランスの場合には、n−1個のガード電極が存在する。
【0032】
図17〜19は、入力領域510および511と出力領域516との間で、圧電プレートの周りの薄いバンドとして配置された接地ガード電極1700および1702を備えた、3電極対デバイスを示す図である。
【0033】
単一の出力領域を、各出力領域で複数の電極対で画定され、互いに分離された複数の出力領域に分割することもできる。これは、任意数の入力/出力領域で行うことができる。図20〜22は、出力領域216の上面および底面に配置され、外部リード線2010および2012と2014および2016とを介して出力2000および2001に接続された2つの電極対2002および2006と2004および2008とによって画定された、2つの分離した出力2000および2001を備えた、図14〜16のデバイスを示す図である。ガード電極1400から延びるガード電極2018は、分離した出力領域の間に位置する。上述のように、このデバイスは1つの入力領域210と1つの出力領域216とを有するので、このデバイスでは疑似方形出力を実現することはできず、出力は正弦波形を有することになる。
【0034】
図23から25は、出力領域516の上面および底面に配置され、外部リード線2310および2312と2314および2316とを介して出力2300および2301に接続された2つの電極対2302および2306と2304および2308とによって画定された、2つの分離した出力2300および2301を備えた、図17〜19のデバイスを示す図である。ガード電極1700、1702から延びるガード電極2318、2320は、分離した出力領域の間に位置する。このデバイスは2つの入力領域と1つの出力領域を有するので、分離された出力2300、2301はそれぞれ疑似方形出力を有することになる。
【0035】
別の複数出力構成を、図26に示す。この図では、上述のように、中央領域が入力であり、2つの出力領域は分離出力である。
出力の極性は、入力の極性によって決まり、無負荷状態または容量性装荷状態では90°位相シフトされている。このような分離出力は、同じ周波数で動作し、電子回路の様々な部分に接続することができる。これらの出力は、互いに180°位相をずらして接続することによって、反対の極性を持たせることができる。これは、2つの出力を反対極性にすることができるので、DC/DCパワーコンバータなど2出力デバイスの場合に特に有利である。このような複数の分離出力はまた、AC/DC変換回路またはDC/DC変換回路においてMOSFETスイッチングトランジスタを駆動するのに有用である。これらのデバイスは、AC入力の半周期ごとに一方のトランジスタをオフにし、他方のトランジスタをオンにして、ブリッジ構成で使用される。出力を複数に分離することができる圧電トランスは、両方の出力を全く同じ周波数で動作させながら、一方の出力の位相を他方の出力の位相から180°ずらして接続することができるので、この目的に非常に適している。さらに、疑似方形波形を出力することができるガード電極を有するトランスは、さらに上述のような利点をもたらす。
【0036】
理論的には、図20〜25に示すように各出力領域をさらに分割する、かつ/または図12および図26に示すように入力領域および出力領域の数を増やすことによって、任意数の分離出力を得ることができる。複数出力構成は数多く考えられるが、出力数が2つまたは3つを超えてもそれほど興味深いものとなるかどうかは疑わしい。図20〜25では、幅に沿って出力領域を分割するものとして示したが、この領域を長さに沿って分割することも可能である。また、出力数を増やすと、個々の出力電極の面積は減少するので、各出力における有効電流もそれに比例した量だけ減少する。特定の構成を決定するその他の考慮事項としては、出力における望ましい電圧利得、与えられた出力負荷、デバイスの寸法、および入力電圧などがある。
【0037】
電極の幾何形状は、多くの変形が可能である。図27から29は、このような変形の1つを示す。図5〜7の2つの入力領域510および516を表面を横切って接続し、2つの入力領域510および511を画定する連続した入力電極2700および2702と、出力電極2704および2706とを上面および底面に形成している。したがって、入力領域510、511を駆動するための入力電圧2712に接続するために、2本の外部リード線2708、2710しか必要でない。
【0038】
図30〜32は、入力電極と出力電極の間に位置するU字形の薄い電極の形状をした接地ガード電極が追加された、図27〜29の圧電トランスを示す図である。この実施形態のガード電極3000は、圧電プレートの周りに連続的なバンドを形成するのではなく、該プレートの3つの側面を覆う、出力電極の周囲を囲むループを形成する。
【0039】
図27〜29による3電極対デバイスの実際のモデルの一例は以下の通りである。
材料:PLZT−9(Rockwell、米国特許第5595677号)
長さ:12mm
幅:40mm
厚さ:0.5mm
電極:金(スパッタ堆積)
共振周波数f0:155.0kHz*
出力電圧利得(無負荷):9.27
入力抵抗:18.9オーム*(共振周波数f0)
共振時Q:64.6
最大出力電圧:120ボルト(ピークピーク値)*
全ての電気的パラメータは使用する材料によって決まる。アステリスク(*)付きのパラメータは、デバイスの寸法にもよる。
【0040】
単層方形デバイスは好ましい実施形態であるが、本発明は、同心円状の電極リングを備えた円形デバイスなど、その他の構成も含む。ただし、この場合、デバイスの直径が基本動作周波数f0に反比例するので、有効な出力電流の量(入力電極および出力電極の面積に比例する)は制限される。方形デバイスでは、デバイスの長さだけはf0に反比例するが、幅を長さの何倍にも大きくすることによって、出力電流を大きくすることができる。方形デバイスのもう1つの利点は、一般的な半導体加工機器を用いて高い精度で切断することが非常に容易であることである。したがって、加工を高速かつ安価にすることができる。
【0041】
薄く長いデバイスの代わりに、複数の層、好ましくは互いに接合された薄い方形プレートでトランスを実施し、有効出力電流を大きくすることができる。図33は、このような多層デバイス3300を示す図である。この図では図5〜7のデバイスの圧電層を示しているが、本発明によるその他の単層デバイスはいずれも、複数層で実施することができる。望ましい出力によって決まるが、任意数の層を使用することができる。最上層の上部電極および最下層の底部電極を除いて、連続した隣接する層の上部電極と底部電極とは、電気的に接続することが望ましい。この図では、第1の圧電層3302の3つの底部電極が第2の圧電層3304の3つの上部電極と接合され、第2の層3304の3つの底部電極が第3の層3306の3つの上部電極と接合され、これが第nの層3310まで続き、第nの層の3つの上部電極は第n−1の層3308の3つの底部電極と接合されている。さらに、これらの層は、矢印3322、3324、3326、3328、3330で示すように、極性が交互になる形で整列され、接合された電極どうしが同じ極性を有するようになっている。
【0042】
これらの層は、導電性エポキシ層で接合することも、あるいは非導電性エポキシで接合し、その後導電性材料で電気的に接続することもできる。これは、きわめて薄い相互接続線を用いて電極を圧電層の縁部まで引き出すことによって実施することができる。電極に使用したものと同じ金属をこれに使用することもできる。
【0043】
このデバイスは、入力領域510、511のそれぞれに、各層の上部入力電極および底部入力電極を介して電圧3312を印加することによって駆動される。これらの入力および出力は全て、互いに並列に接続することができる。さらに、これらの層は、ガード電極を有することができる。
【0044】
多層デバイスは、長さが1〜2mmしかない1MHzまでの範囲で動作する高周波デバイスに好ましい実施形態となるであろう。
本発明の特定の例について図示および説明したが、多数の変形形態および代替実施形態を当業者なら思いつくであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】
従来のRosen型圧電トランスの斜視図である。
【図2】
本発明による基本圧電トランスの斜視図である。
【図3】
図2の圧電トランスの断面図である。
【図4】
図2の圧電トランスの上面図である。
【図5】
3電極対幾何形状を有する、本発明による圧電トランスの斜視図である。
【図6】
図5の圧電トランスの断面図である。
【図7】
図5の圧電トランスの上面図である。
【図8】
本発明で実現することができる、基本周波数および第3次高調波周波数で構成された疑似方形出力波形のプロットである。
【図9】
図8の疑似方形波形を、正弦波形および純粋な方形波形の両方と比較するプロットである。
【図10】
3つの電極対を有する圧電プレートに、正弦定常波を重ねて示す図である。
【図11】
図10の圧電プレートに、第3次高調波の正弦定常波を重ねて示す図である。
【図12】
n個の電極対を有する、本発明による圧電トランスの断面図である。
【図13】
寄生結合を示す、図12の圧電トランスの断面図である。
【図14】
ガード電極が追加された、図2の圧電トランスの斜視図である。
【図15】
図14の圧電トランスの断面図である。
【図16】
図14の圧電トランスの上面図である。
【図17】
ガード電圧が追加された、図5の圧電トランスの斜視図である。
【図18】
図17の圧電トランスの断面図である。
【図19】
図17の圧電トランスの上面図である。
【図20】
複数の分離された出力を有する、図14の圧電トランスの斜視図である、
【図21】
図20の圧電トランスの上面図である。
【図22】
図20の圧電トランスの底面図である。
【図23】
複数の分離された出力を有する、図17の圧電トランスの斜視図である、
【図24】
図23の圧電トランスの上面図である。
【図25】
図23の圧電トランスの底面図である。
【図26】
3電極対幾何形状を有し、かつ中央入力領域を有する、本発明による圧電トランスの断面図である。
【図27】
外側入力領域を接続する連続電極を備えた、3つの領域を有する圧電トランスの斜視図である。
【図28】
図27の圧電トランスの上面図である。
【図29】
図27の圧電トランスの底面図である。
【図30】
ガード電極が追加された、図27の圧電トランスの斜視図である。
【図31】
図30の圧電トランスの上面図である。
【図32】
図30の圧電トランスの底面図である。
【図33】
本発明による多層圧電トランスの断面図である。
【発明の背景】
本発明は、一般に圧電デバイスに関し、より詳細には、入力交流電流を供給される圧電トランスに関する。
【0002】
【従来の技術】
テレビのデフレクタや複写機の充電器など、高電圧を必要とするデバイスの内部電力回路で高電圧を発生させるために、巻線型電磁トランスが使用される。このようなトランスは、磁気コアに巻き付けた導体からなる。高い変圧比を実現するためには多くの巻き数が必要となるので、小型かつ薄型のトランスを製造することはきわめて困難である。
【0003】
この問題に対処するために、圧電効果を利用した圧電トランスが開発されている。図1は、Ohnishiの米国特許第5806159号によるRosen型圧電トランスを示す図である。圧電材料のプレート102は、上側入力電圧104および下側入力電圧106を有し、これらが圧電プレート102の駆動または入力領域108を画定する。プレート102の残りの部分は、発電器または出力領域110となり、その端部に出力電極112を有する。入力領域108は、図に矢印114で示すように電極104および106に対して直角に分極され、出力領域110は、図に矢印116で示すように電極112に対して直角に分極される。
【0004】
この圧電トランスは、以下のように動作する。外部リード線118および120から入力電極104と106の間に電圧が印加されると、分極方向に電界が強くなり、圧電横31効果と呼ばれる、分極に直角な方向に変位した圧電効果によって、電極104および106に平行な横方向の長手方向振動が励起され、トランス全体を振動させる。さらに、出力領域110では、圧電効果により分極方向に機械的歪みが生じることによって分極方向に電位差が生じることにより、入力電圧と同じ周波数を有する電圧が出力電極112から外部リード線122に発生する。このとき、電圧の入力周波数を圧電トランスの共振周波数と等しくすれば、高い出力電圧を得ることができる。
【0005】
この圧電トランスは、共振状態で使用される。通常の電磁トランスと比較すると、この圧電トランスは、例えば、1)巻線型構造が不要であり、エネルギー密度が高いために、小型かつ薄型の形状を達成できること、2)不燃性にすることができる可能性があること、3)電磁誘導ノイズがないこと、など、多くの利点を有する。さらに、Rosen型圧電トランスはモノリシックであり、このことにより、高温での接合層の軟化による効率低下など接合に関する問題が生じないという点で、多層デバイスに優る利点を有する。
【0006】
Rosen型およびその他の型の従来の圧電トランスでは、(フーリエ変換f0+3f0+5f0...+nf0による連続した正弦波の高調波成分を有する)方形(矩形)波形入力で、基本周波数のみの正弦波形を有する出力が発生する。正弦波の立上り時間および立下り時間は方形波よりはるかに遅く、また、オフ状態とオン状態の間の移行中にはトランジスタ中でかなりの電力損失があるため、トランジスタスイッチをオフおよびオンに駆動する際には(DC−DCパワーコンバータなど)素早い立上り時間および立下り時間が重要であるので、これは欠点となる可能性がある。
【0007】
さらに、Rosen型およびその他の従来の圧電トランスでは、入力領域と出力領域の間に寄生容量があるため、入力領域と出力領域が電気的に完全には分離されていない。
【0008】
【発明の概要】
本発明は、方形波入力の基本周波数および第3次高調波周波数を通すことができ、寄生容量を低下させた、圧電トランスおよび動作方法を提供する。
【0009】
この新しい圧電トランスは、その主要表面に対して直交する一様な極性を有する方形の薄い圧電プレートの形をした、モノリシックで平坦な構造を有する。入力電極および出力電極の対を、圧電プレートの上面および底面に形成する。このデバイスはモノリシックであるので、多層デバイスについて回る接合の問題(例えば接合の弾性など)は生じない。ただし、より大きな出力電流が望ましい場合には、トランス層を積み重ねることもできる。
【0010】
3電極対の実施形態では、このデバイスは、方形波入力の基本周波数および第3次高調波周波数を通過させ、疑似方形波出力を生成することができる。疑似方形波は、真の方形波よりは若干遅いものの、正弦波よりははるかに速い立上り時間および立下り時間を有する。
【0011】
本発明による圧電トランスは、さらに、いずれかの極性を有する分離した出力を複数発生させることができる。これは、MOSFETパワートランジスタの入力ゲートなどの容量性負荷を駆動するのにも、抵抗性または抵抗性/容量性回路などのその他の負荷を駆動するのにも適している。
【0012】
寄生容量は、入力領域と出力領域の間のリーク電流を接地することによって最小化される。これは、接地ガード電極などの接地要素を、入力領域と出力領域の間に配置することによって達成することができる。モノリシックトランスでは、接地要素は、入力領域と出力領域の間で、圧電体の表面の周りの連続バンドとして配置された、薄い電極にすることができる。これにより、圧電材料の誘電率に左右されるのであるが、漂遊容量を10分の1ないし20分の1に低下させることができ、有効入出力結合容量を入力容量の1〜5%まで低下させることができる。
【0013】
さらに、電磁トランスと比較すると、この新しい圧電トランスは、小型であり、製作が容易であり、低コストであり、磁気による干渉の影響を受けない。
【0014】
【発明の実施の態様】
図2〜4は、本発明の様々な実施形態を示すために本明細書で構築ブロックとして使用される基本圧電トランス200を示す図である。圧電トランスの様々な実施形態を示すこれらの及びその他の図面は、一定の比率で描かれたものではないことに留意されたい。
【0015】
この圧電トランスは、セラミックまたは単結晶にすることができる圧電材料体202を含み、長さ226、厚さ228(通常は1mm以下)、および幅230を有する薄いプレートの形をしている。圧電プレート202の分極は、図2および図3に矢印204で示すように厚さ方向に配向されている。面積の等しい一対の入力電極206および208、ならびにやはり面積の等しい一対の出力電極212および214は、スパッタ堆積およびフォトリソグラフィなどの技術を使用して、プレート202の上部主要面および底部主要面に配置される。入力電極および出力電極は、プレートの上面および底面で同様の電極形状を有し、入力領域210および出力領域216をそれぞれ画定する。外部リード線218、220、222および224は、入力電極206および208ならびに出力電極212および214にそれぞれ接続される。
【0016】
圧電プレートは、高電圧(厚さ1mmの材料に対して約1000から3000ボルト)を印加されることによって一様な分極方向に分極される。これについては、B.Jaffe、W.R.CookおよびH.Jaffeによる「Piezoelectric Ceramics」(Academic Press、N.Y.、1971年)の16ページを参照されたい。
【0017】
入力電極206、208を介して入力領域の両端間に電圧232を印加することで、横方向の電気機械的結合定数k31によってデバイス内で横方向の内部応力が発生する。この応力は、デバイスの長さ226および圧電材料中の音速によって決まるデバイスの共振周波数で最大値に達する(Jaffe、Cook、Jaffeの30、31ページ参照)。したがって、例えば、基本共振周波数での内部応力は、デバイスの長さの2倍に等しい波長を有する音響定常波からなる。その後、この内部応力が、出力電極において横方向結合定数k31で変換されて電荷に戻され、出力電極212と214の間に出力電圧234を生じる。(さらなる参考のためには、Encyclopedia of Electronics and Computers、S.Parker、McGraw−Hill、1984年、625〜630ページを参照のこと。)
開路の電圧利得は、次の式に従って、入力電極と出力電極の面積比、および圧電材料定数に応じて変化する。
【0018】
【数1】
ここで、VoutおよびVinはそれぞれ出力電圧および入力電圧であり、βは電極の幾何形状および入力電圧と出力電圧の面積比によって決まる比例定数であり、Qは共振時の材料のQ値であり、k31は材料の横方向圧電結合定数である。通常は、βは、接点の面積が等しい場合には1に近い値となる。Q値は1000に到達することもあり、ほとんどの圧電材料ではk31≦0.4である。開路デバイスには内部出力容量が装荷されているので、外部負荷容量を追加することにより、それに比例した量だけ負荷インピーダンスが低下し、したがってデバイスの電圧利得が低下する。容量性負荷を追加することにより、共振周波数が非常にわずかな量(通常は1〜2%)だけ変化するが、デバイスのQはそれほど変化しない。
【0019】
さらに、基本共振周波数は、圧電プレートの長さによって決まるが、その幅は任意の所望値にすることができる。幅は、通常は長さより長く、入力電極および出力電極の面積を最大にすることによって、デバイスの出力インピーダンスが最低になる。
【0020】
図2〜4に示す基本圧電トランス、および図1に示すRosen型などの従来の圧電トランスは、正弦波の基本周波数のみを通すことができる。しかし、このデバイスは、圧電プレートの中心に関して対称な形状となる複数の入力および/または出力領域を有することにより、基本周波数の複数の高調波を通過させることができる。理論的には、単一の圧電プレート上に任意数の入力領域および出力領域を有することができる。図2〜4に示すように、これらの領域はそれぞれ、上側電極と下側電極の対によって画定される。
【0021】
図5〜7は、3電極対幾何形状を有する圧電トランス500を示す図である。これは、電極対が追加されていることを除けば、図2〜4に示す圧電トランスと同様である。図5〜7では、図2〜4の圧電材料体202と同様の圧電材料体502は、長さ526、厚さ528(通常は1mm以下)、および幅530を有する。圧電プレート502の分極は、図5および図6に矢印504で示すように厚さ方向に配向されている。面積のほぼ等しい2対の入力電極506および508と513および515は、プレート502の両端部で上面および底面に配置され、入力領域510および511を画定している。面積のほぼ等しい一対の出力電極512および514は、入力領域510と511の間でプレート502の上面および底面に配置され、出力領域516を画定する。プレートの上面および底面の電極の幾何形状は同様である。外部リード線518、520、522、524、523および525は、入力電極506、508、513および515ならびに出力電極512および514にそれぞれ接続される。入力領域は、その領域を画定している入力電極対の両端間に電圧532を印加することによって駆動される。各領域の両端間の電圧は、出力が最大となるように圧電プレート502の基本共振周波数に対応する同じ周波数を有し、したがって、2対の入力電極506および508と513および515とに共通の電源を設けることが好ましい。このような3電極対幾何形状であることにより、このデバイスは、方形波形を有する入力電圧532の基本周波数および第3次高調波を通過させて、疑似方形波形を有する出力電圧534を形成することができる。
【0022】
また、中央の領域を入力とし、外側の2つの領域を2つの個別の出力として、疑似方形出力を得ることもできる。このデバイスを図26に示す。同図において、512および514は、入力領域516を画定する入力電極であり、506および508ならびに513および515は、出力領域510および511を画定する2つの出力電極対である。外部入力リード線2602および2604は、このデバイスを駆動するための電源2606に接続される。さらに、外部出力リード線2608および2610と2612および2614とはそれぞれ、出力領域510および511のそれぞれの両端間で、2つの別個の出力2616および2618をもたらす。これらの出力領域を互いに接続して、有効出力電流を2倍にすることもできる。
【0023】
図8は、基本周波数および第3次高調波周波数で構成された疑似方形出力波形800のプロットであり、図9は、この疑似方形波形を、対応する正弦波形900および純粋な方形波形902と比較した図である。発生した疑似方形波形は、純粋な方形波よりは遅いものの、正弦波よりははるかに速い立上り時間および立下り時間を有する。
【0024】
したがって、疑似方形出力を発生するこの新しいデバイスは、より敏速にトランジスタスイッチをオフおよびオンに駆動することができ、またオフ状態とオン状態の間の移行中にはかなりの電力損失が発生するので、より効率的にトランジスタスイッチを駆動することができる。さらに、3電極対デバイスは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の入力ゲートなどの容量性負荷を駆動するのに理想的に適している。MOSFETがオフ出力導通状態からオン出力導通状態に移行する際に、MOSFETの入力容量は劇的に減少し、その後再度上昇する。最終的な結果として、この圧電トランスによってMOSFETゲートが駆動されると、オフとオンの間の移行域においてMOSFETの負荷容量が低下することにより、このトランスの疑似方形波出力の電圧遷移は加速される。MOSFETトランジスタだけでなく、3電極対デバイスは、抵抗性または抵抗性/容量性負荷など、その他の負荷を駆動することもできる。
【0025】
出力波形は圧電体上の入力領域が対称であることの影響を受けるので、この3電極対デバイスでは、第3次高調波周波数および基本周波数を通過させる。図10は、入力領域1002、1004および出力領域1006を有する3電極対圧電プレート1000と、このプレートの長さ1008に沿って重ねた、圧電プレートの振動モードに対応する半周期の定常正弦波1010とを示す図である。図11は、同じ圧電プレート1000を、その長さに沿って重ねた3/2周期の第3次高調波の正弦波1100とともに示す図である。これらの図面から分かるように、入力領域および出力領域の対称性は、第3次高調波および基本波の対称性に対応する。したがって、所望の出力の波形を重ね合わせて、それに対応する対称点で圧電体に入力電圧を印加することにより、その他の所望の波状出力を生成することも可能である。
【0026】
図12は、図5〜7の圧電トランスと同様であるが、n個の電極対を有する、圧電トランス1200を示す図である。ここで、nは2より大きい任意の数である。3電極対の実施形態の場合と同様に、入力領域と出力領域は交互になっている。したがって、第1の電極1202は、入力領域を画定することも、出力領域を画定することもある。また、同じ周波数の電圧が各入力電極に印加され、出力は、結合することも、分離しておくこともできる。
【0027】
原理的には、本発明は任意数の高調波に拡張することができるが、セラミックPLZT圧電体(米国特許第5595677号参照)上に5つの電極対を設けて行った実験では、測定可能ではあるが微弱な第5次高調波しか示さず、ニオブ酸ストロンチウムバリウム(SBN)結晶圧電体を用いた実験では、ほとんど検出不可能な第5次高調波しか示さなかった。
【0028】
この新しい圧電トランスの別の特徴は、ガード電極を用いて入力領域と出力領域の間の寄生容量結合を低下させることである。図13は、図2〜4に示す2電極対デバイス200を用いて、寄生結合の問題について説明する図である。使用する材料が誘電体であるので、入力領域210と出力領域216の間には、コンデンサ回路分岐1300および1302を表す破線で示す容量性結合が存在する。この容量性結合により、図中に矢印1304で示すように入力電極と出力電極の間にリーク電流が生じ、入力と出力の間の完全な電気的分離が失われることになる。
【0029】
寄生結合を軽減するために、2つの領域の間に位置する接地要素によって入力領域210と出力領域216の間の電流のリークを接地する。この接地要素は、入力領域と出力領域の間に位置する接地ガード電極であることが好ましい。図14〜16は、このような接地電極1400を備えた図2〜4の圧電トランスの例を示す図である。電極1400は、入力電極および出力電極と同じ材料にすることができ、圧電プレートの表面の周りの好ましくは1mm以下程度の幅を有する薄いバンドとして配置される。このバンドは、入力電極および出力電極に使用したプロセスと同じ堆積プロセスで堆積させることができ、入力領域210と出力領域216との間を分離する。電極1400は、電気的接地(0ボルト)回路に接続することによって接地される。この接地電極は、通常は、漂遊容量の影響を10分の1ないし20分の1に低下させ、有効結合容量を入力容量の1〜5%(使用する材料の誘電率によって決まる)にまで低下させる。
【0030】
ガード電極を備えることにより、MOSFETの入力間の寄生容量結合経路について考慮する必要がなくなるため、電子設計を大幅に簡略化することができる。MOSFETトランジスタなどの能動デバイスを駆動する場合には、ガード電極は、MOSFETとトランスへの入力源との間の、場合によっては望ましくない相互作用を最小限に抑えることができる。同様に、複数の圧電トランス出力によって駆動されるMOSFET間の結合相互作用も軽減することができる。
【0031】
さらに、接地電極により、トランスの利得およびQ値も改善されることが分かっている。
任意数の入力/出力領域を有する圧電トランスは、各領域の間にガード電極を有することができる。したがって、n個の電極対を有する圧電トランスの場合には、n−1個のガード電極が存在する。
【0032】
図17〜19は、入力領域510および511と出力領域516との間で、圧電プレートの周りの薄いバンドとして配置された接地ガード電極1700および1702を備えた、3電極対デバイスを示す図である。
【0033】
単一の出力領域を、各出力領域で複数の電極対で画定され、互いに分離された複数の出力領域に分割することもできる。これは、任意数の入力/出力領域で行うことができる。図20〜22は、出力領域216の上面および底面に配置され、外部リード線2010および2012と2014および2016とを介して出力2000および2001に接続された2つの電極対2002および2006と2004および2008とによって画定された、2つの分離した出力2000および2001を備えた、図14〜16のデバイスを示す図である。ガード電極1400から延びるガード電極2018は、分離した出力領域の間に位置する。上述のように、このデバイスは1つの入力領域210と1つの出力領域216とを有するので、このデバイスでは疑似方形出力を実現することはできず、出力は正弦波形を有することになる。
【0034】
図23から25は、出力領域516の上面および底面に配置され、外部リード線2310および2312と2314および2316とを介して出力2300および2301に接続された2つの電極対2302および2306と2304および2308とによって画定された、2つの分離した出力2300および2301を備えた、図17〜19のデバイスを示す図である。ガード電極1700、1702から延びるガード電極2318、2320は、分離した出力領域の間に位置する。このデバイスは2つの入力領域と1つの出力領域を有するので、分離された出力2300、2301はそれぞれ疑似方形出力を有することになる。
【0035】
別の複数出力構成を、図26に示す。この図では、上述のように、中央領域が入力であり、2つの出力領域は分離出力である。
出力の極性は、入力の極性によって決まり、無負荷状態または容量性装荷状態では90°位相シフトされている。このような分離出力は、同じ周波数で動作し、電子回路の様々な部分に接続することができる。これらの出力は、互いに180°位相をずらして接続することによって、反対の極性を持たせることができる。これは、2つの出力を反対極性にすることができるので、DC/DCパワーコンバータなど2出力デバイスの場合に特に有利である。このような複数の分離出力はまた、AC/DC変換回路またはDC/DC変換回路においてMOSFETスイッチングトランジスタを駆動するのに有用である。これらのデバイスは、AC入力の半周期ごとに一方のトランジスタをオフにし、他方のトランジスタをオンにして、ブリッジ構成で使用される。出力を複数に分離することができる圧電トランスは、両方の出力を全く同じ周波数で動作させながら、一方の出力の位相を他方の出力の位相から180°ずらして接続することができるので、この目的に非常に適している。さらに、疑似方形波形を出力することができるガード電極を有するトランスは、さらに上述のような利点をもたらす。
【0036】
理論的には、図20〜25に示すように各出力領域をさらに分割する、かつ/または図12および図26に示すように入力領域および出力領域の数を増やすことによって、任意数の分離出力を得ることができる。複数出力構成は数多く考えられるが、出力数が2つまたは3つを超えてもそれほど興味深いものとなるかどうかは疑わしい。図20〜25では、幅に沿って出力領域を分割するものとして示したが、この領域を長さに沿って分割することも可能である。また、出力数を増やすと、個々の出力電極の面積は減少するので、各出力における有効電流もそれに比例した量だけ減少する。特定の構成を決定するその他の考慮事項としては、出力における望ましい電圧利得、与えられた出力負荷、デバイスの寸法、および入力電圧などがある。
【0037】
電極の幾何形状は、多くの変形が可能である。図27から29は、このような変形の1つを示す。図5〜7の2つの入力領域510および516を表面を横切って接続し、2つの入力領域510および511を画定する連続した入力電極2700および2702と、出力電極2704および2706とを上面および底面に形成している。したがって、入力領域510、511を駆動するための入力電圧2712に接続するために、2本の外部リード線2708、2710しか必要でない。
【0038】
図30〜32は、入力電極と出力電極の間に位置するU字形の薄い電極の形状をした接地ガード電極が追加された、図27〜29の圧電トランスを示す図である。この実施形態のガード電極3000は、圧電プレートの周りに連続的なバンドを形成するのではなく、該プレートの3つの側面を覆う、出力電極の周囲を囲むループを形成する。
【0039】
図27〜29による3電極対デバイスの実際のモデルの一例は以下の通りである。
材料:PLZT−9(Rockwell、米国特許第5595677号)
長さ:12mm
幅:40mm
厚さ:0.5mm
電極:金(スパッタ堆積)
共振周波数f0:155.0kHz*
出力電圧利得(無負荷):9.27
入力抵抗:18.9オーム*(共振周波数f0)
共振時Q:64.6
最大出力電圧:120ボルト(ピークピーク値)*
全ての電気的パラメータは使用する材料によって決まる。アステリスク(*)付きのパラメータは、デバイスの寸法にもよる。
【0040】
単層方形デバイスは好ましい実施形態であるが、本発明は、同心円状の電極リングを備えた円形デバイスなど、その他の構成も含む。ただし、この場合、デバイスの直径が基本動作周波数f0に反比例するので、有効な出力電流の量(入力電極および出力電極の面積に比例する)は制限される。方形デバイスでは、デバイスの長さだけはf0に反比例するが、幅を長さの何倍にも大きくすることによって、出力電流を大きくすることができる。方形デバイスのもう1つの利点は、一般的な半導体加工機器を用いて高い精度で切断することが非常に容易であることである。したがって、加工を高速かつ安価にすることができる。
【0041】
薄く長いデバイスの代わりに、複数の層、好ましくは互いに接合された薄い方形プレートでトランスを実施し、有効出力電流を大きくすることができる。図33は、このような多層デバイス3300を示す図である。この図では図5〜7のデバイスの圧電層を示しているが、本発明によるその他の単層デバイスはいずれも、複数層で実施することができる。望ましい出力によって決まるが、任意数の層を使用することができる。最上層の上部電極および最下層の底部電極を除いて、連続した隣接する層の上部電極と底部電極とは、電気的に接続することが望ましい。この図では、第1の圧電層3302の3つの底部電極が第2の圧電層3304の3つの上部電極と接合され、第2の層3304の3つの底部電極が第3の層3306の3つの上部電極と接合され、これが第nの層3310まで続き、第nの層の3つの上部電極は第n−1の層3308の3つの底部電極と接合されている。さらに、これらの層は、矢印3322、3324、3326、3328、3330で示すように、極性が交互になる形で整列され、接合された電極どうしが同じ極性を有するようになっている。
【0042】
これらの層は、導電性エポキシ層で接合することも、あるいは非導電性エポキシで接合し、その後導電性材料で電気的に接続することもできる。これは、きわめて薄い相互接続線を用いて電極を圧電層の縁部まで引き出すことによって実施することができる。電極に使用したものと同じ金属をこれに使用することもできる。
【0043】
このデバイスは、入力領域510、511のそれぞれに、各層の上部入力電極および底部入力電極を介して電圧3312を印加することによって駆動される。これらの入力および出力は全て、互いに並列に接続することができる。さらに、これらの層は、ガード電極を有することができる。
【0044】
多層デバイスは、長さが1〜2mmしかない1MHzまでの範囲で動作する高周波デバイスに好ましい実施形態となるであろう。
本発明の特定の例について図示および説明したが、多数の変形形態および代替実施形態を当業者なら思いつくであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】
従来のRosen型圧電トランスの斜視図である。
【図2】
本発明による基本圧電トランスの斜視図である。
【図3】
図2の圧電トランスの断面図である。
【図4】
図2の圧電トランスの上面図である。
【図5】
3電極対幾何形状を有する、本発明による圧電トランスの斜視図である。
【図6】
図5の圧電トランスの断面図である。
【図7】
図5の圧電トランスの上面図である。
【図8】
本発明で実現することができる、基本周波数および第3次高調波周波数で構成された疑似方形出力波形のプロットである。
【図9】
図8の疑似方形波形を、正弦波形および純粋な方形波形の両方と比較するプロットである。
【図10】
3つの電極対を有する圧電プレートに、正弦定常波を重ねて示す図である。
【図11】
図10の圧電プレートに、第3次高調波の正弦定常波を重ねて示す図である。
【図12】
n個の電極対を有する、本発明による圧電トランスの断面図である。
【図13】
寄生結合を示す、図12の圧電トランスの断面図である。
【図14】
ガード電極が追加された、図2の圧電トランスの斜視図である。
【図15】
図14の圧電トランスの断面図である。
【図16】
図14の圧電トランスの上面図である。
【図17】
ガード電圧が追加された、図5の圧電トランスの斜視図である。
【図18】
図17の圧電トランスの断面図である。
【図19】
図17の圧電トランスの上面図である。
【図20】
複数の分離された出力を有する、図14の圧電トランスの斜視図である、
【図21】
図20の圧電トランスの上面図である。
【図22】
図20の圧電トランスの底面図である。
【図23】
複数の分離された出力を有する、図17の圧電トランスの斜視図である、
【図24】
図23の圧電トランスの上面図である。
【図25】
図23の圧電トランスの底面図である。
【図26】
3電極対幾何形状を有し、かつ中央入力領域を有する、本発明による圧電トランスの断面図である。
【図27】
外側入力領域を接続する連続電極を備えた、3つの領域を有する圧電トランスの斜視図である。
【図28】
図27の圧電トランスの上面図である。
【図29】
図27の圧電トランスの底面図である。
【図30】
ガード電極が追加された、図27の圧電トランスの斜視図である。
【図31】
図30の圧電トランスの上面図である。
【図32】
図30の圧電トランスの底面図である。
【図33】
本発明による多層圧電トランスの断面図である。
Claims (23)
- 少なくとも1つの入力領域および少なくとも1つの出力領域を有する第1の圧電体と、
各対の入力領域と出力領域の間に位置しており前記領域の間から電荷がリークするのを実質的に防止する接地要素と、
を備えていることを特徴とする圧電トランス。 - 請求項1記載の圧電トランスにおいて、前記入力領域および前記出力領域の上にそれぞれ入力電極および出力電極を更に備えていることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項2記載の圧電トランスにおいて、前記圧電体は、上部主要面および底部主要面を有するプレートを備えていることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項3記載の圧電トランスにおいて、前記入力電極および前記出力電極はそれぞれが圧電プレートの上部主要面および底部主要面上にそれぞれ配置された一対の電極要素を備えていることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項4記載の圧電トランスにおいて、少なくとも1つの追加的な圧電プレートを更に備えており、プレート上の位置合わせされた電極が相互に結合されていることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項4記載の圧電トランスにおいて、前記圧電体は、前記上面および前記底面と直交する一様な分極を有していることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項1記載の圧電トランスにおいて、前記接地要素は、前記圧電体の周囲の連続バンドとして配置された接地電極を備えていることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項1記載の圧電トランスにおいて、前記出力領域の少なくとも1つにおいて複数の出力電極を更に備えていることを特徴とする圧電トランス。
- 圧電トランスであって、
少なくとも1つの入力領域および少なくとも1つの出力領域を有する圧電体を備えており、
前記入力領域および前記出力領域は交互に配列され、前記圧電体の中心に関してそれぞれ鏡面対称を形成していることを特徴とする圧電トランス。 - 圧電トランスであって、
少なくとも1つの入力領域および少なくとも1つの出力領域を有する圧電体を備えており、
前記入力領域および前記出力領域は、前記圧電体に重畳されている定常正弦波の周期的位置に対応する前記圧電体上の位置に配置され、前記正弦波は、共振周波数における前記圧電体の振動モードに対応する波形を有していることを特徴とする圧電トランス。 - 請求項10記載の圧電トランスにおいて、各対の入力領域と出力領域の間に位置しており、前記領域の間から電荷がリークするのを実質的に防止する複数の電気的接地要素を更に備えていることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項10記載の圧電トランスにおいて、前記入力領域および前記出力領域の上にそれぞれ入力電極および出力電極を更に備えていることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項12記載の圧電トランスにおいて、前記圧電体は、上部主要面および底部主要面と前記面と直交する一様な極性とを有するプレートを備えていることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項13記載の圧電トランスにおいて、前記入力電極および前記出力電極はそれぞれが圧電プレートの上部主要面および底部主要面上にそれぞれ配置された一対の電極要素を備えていることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項14記載の圧電トランスにおいて、少なくとも1つの追加的な圧電プレートを更に備えており、プレート上の位置合わせされた電極が相互に結合されていることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項14記載の圧電トランスにおいて、面の上に配置された隣接する入力電極要素は面電極を接続することによって電気的に接続されていることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項10記載の圧電トランスにおいて、前記出力領域の少なくとも1つにおいて複数の出力電極を更に備えていることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項10記載の圧電トランスにおいて、前記圧電体は2つの入力領域の間に1つの出力領域を有していることを特徴とする圧電トランス。
- 請求項10記載の圧電トランスにおいて、前記圧電体は2つの入力領域の間に1つの出力領域を有していることを特徴とする圧電トランス。
- 少なくとも1つの入力領域および1つの出力領域を有する圧電トランスを動作させる方法であって、
前記入力領域に電気的入力信号を印加するステップと、
前記出力領域から出力信号を得るステップと、
普通なら前記入力領域と前記出力領域の間に流れるはずのリーク電流を接地するステップとを含む方法。 - 請求項20記載の方法において、前記電流は、前記トランスの隣接する入力領域と出力領域との間で接地されていることを特徴とする方法。
- 電子システムであって、
電気で動作するデバイスと、
前記デバイスに電流を提供するように接続されており、少なくとも1つの入力領域および少なくとも1つの出力領域を有する圧電体を備えた圧電トランスと、
を備えており、前記入力領域および前記出力領域は、前記圧電体の上に重畳された定常正弦波における周期的位置に対応する前記圧電体上の位置に配置され、前記正弦波は、共振周波数において前記圧電体の振動モードに対応する波形を有することを特徴とする電子システム。 - 電子デバイスであって、
電気で動作するデバイスと、
前記デバイスに電流を提供するように前記デバイスに接続された圧電トランスと、
を備えており、前記圧電トランスは、
少なくとも1つの入力領域および少なくとも1つの出力領域を有する第1の圧電体と、
各対の入力領域と出力領域の間に位置しており、前記領域の間から電荷がリークするのを実質的に防止する接地要素と、
を備えていることを特徴とする電子システム。
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20080603 |