(57)【要約】昇圧変換用途に複合振動モードを利用する多層圧電トランス（１）が提供される。半径方向に変形するように分極した入力部（１Ａ、３Ａ）を、ボンドライン（１７１、１７２）または拘束層（６５）を介して出力部（１Ｂ、３Ｂ）に結合する。入力部（１Ａ、３Ａ）の中央面の変形は、結合された出力層（５０、２５０、２７０、１４０）または拘束層によって拘束される。出力層（５０、１４０、２５０、２７０）は、入力層（４０、１０２、１０４、１０６、１０８、２４０）または拘束層（６５）に結合し、やはり半径方向に変形する。各層間の動きの自由度の違いにより、厚さ方向に応力及び歪の勾配が生じ、その結果、入力層（４０、１０２、１０４、１０８、２４０）及び出力層（５０、１４０、２５０、２７０）に沿って大きな剪断力が生じる。出力部（１Ｂ、３Ｂ）の複合半径方向剪断モード変形により、圧電効果による効率的に昇圧された高出力電圧が生成される。
2005505132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の対向する電極化した主要面を有し、該主要面の両端間に電圧を印加すると該主要面が半径方向に変形するように、該主要面に直交する厚さ方向に分極した第１入力電気活性ディスクと、
第１及び第２の対向する電極化した主要面を有し、該主要面の両端間に電圧を印加すると該主要面が半径方向に変形するように、該主要面に直交する厚さ方向に分極した第１出力電気活性ディスクと、
該第１出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面が、少なくとも部分的に前記第１入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の変形を拘束するように、前記第１出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面に、前記第１入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面を取り付ける第１の機械的な結合部とを備えた圧電トランスであって、
前記第１入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の変形の前記拘束により、前記第１入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面は、前記第１入力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面が半径方向に変形するほど大きくは半径方向に変形することが妨げられ、前記第１入力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量に差異が生じることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
前記第１入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の変形により、前記第１の機械的な結合部を介して前記第１出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面に半径方向の歪みが生じ、
前記第１出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の歪みにより、前記第１出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面と前記第２の電極化した主要面の間で圧電効果により出力電圧が生成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
【請求項３】
前記第１入力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量の前記差異により、前記第１入力電気活性ディスク中に剪断歪みが生じることを特徴とする請求項２に記載の圧電トランス。
【請求項４】
前記第１出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の変形は、前記第１出力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面の前記半径方向の変形よりも大きく、前記第１出力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量に差異が生じることを特徴とする請求項３に記載の圧電トランス。
【請求項５】
前記第１出力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量の前記差異により、前記第１出力電気活性ディスク中に剪断歪みが生じることを特徴とする請求項４に記載の圧電トランス。
【請求項６】
前記第１の機械的な結合部は、前記入力及び出力電気活性ディスクを合わせて一緒に焼成することを含むプロセスによって形成される結合部と、前記入力及び出力電気活性ディスクを合わせて接着することを含むプロセスによって形成される結合部とからなるグループから選択されることを特徴とする請求項５に記載の圧電トランス。
【請求項７】
第１及び第２の対向する電極化した主要面を有し、該主要面の両端間に電圧を印加すると該主要面が半径方向に変形するように、該主要面に直交する厚さ方向に分極した第１入力電気活性ディスクと、
第１及び第２の対向する電極化した主要面を有し、該主要面の両端間に電圧を印加すると該主要面が半径方向に変形するように、該主要面に直交する厚さ方向に分極した第１出力電気活性ディスクと、
前記第１入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の変形を少なくとも部分的に拘束するように、前記第１入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面と、前記第１出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面との間に機械的に結合された拘束層とを備えた圧電トランスであって、
前記第１入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の変形の前記拘束により、前記第１入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面は、前記第１入力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面が半径方向に変形するほど大きくは半径方向に変形することが妨げられ、前記第１入力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量に差異が生じることを特徴とする圧電トランス。
【請求項８】
前記第１入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の変形により、前記拘束層に半径方向の歪みが生じ、
前記拘束層の前記半径方向の歪みは、該拘束層を通って並進移動し、前記第１出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面に半径方向の歪みが生じ、
前記第１出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の歪みにより、前記第１出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面と前記第２の電極化した主要面の間で圧電効果により出力電圧が生成されることを特徴とする請求項７に記載の圧電トランス。
【請求項９】
前記第１入力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量の前記差異により、前記第１入力電気活性ディスク中に剪断歪みが生じることを特徴とする請求項８に記載の圧電トランス。
【請求項１０】
前記第１出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の変形は、前記第１出力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面の前記半径方向の変形よりも大きく、前記第１出力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量に差異が生じることを特徴とする請求項９に記載の圧電トランス。
【請求項１１】
前記第１出力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量の前記差異により、前記第１出力電気活性ディスク中に剪断歪みが生じることを特徴とする請求項１０に記載の圧電トランス。
【請求項１２】
前記拘束層の前記機械的な結合部は、前記拘束層並びに前記入力電気活性ディスク及び前記出力電気活性ディスクを合わせて一緒に焼成することを含むプロセスによって形成される結合部と、前記拘束層ならびに前記入力電気活性ディスク及び前記出力電気活性ディスクを合わせて接着することを含むプロセスによって形成される結合部と、それらの組合せを含むプロセスによって形成される結合部とからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１１に記載の圧電トランス。
【請求項１３】
第１及び第２の対向する電極化した主要面を有し、該主要面の両端間に電圧を印加すると該主要面が半径方向に変形するように、該主要面に直交する厚さ方向に分極した第２入力電気活性ディスクと、
前記第１入力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面が、少なくとも部分的に前記第２入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の変形を拘束するように、前記第１入力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面に、前記第２入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面を取り付ける第２の機械的な結合部とを備え、
前記第１入力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面による前記半径方向の変形に対する前記拘束により、前記第２入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面は、前記第２入力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面が半径方向に変形するほど大きくは半径方向に変形することが妨げられ、前記第２入力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量に差異が生じることを特徴とする請求項３に記載の圧電トランス。
【請求項１４】
第１及び第２の対向する電極化した主要面を有し、該主要面の両端間に電圧を印加すると該主要面が半径方向に変形するように、該主要面に直交する厚さ方向に分極した第２出力電気活性ディスクと、
前記第２出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面が、少なくとも部分的に前記第１出力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面の前記半径方向の変形を拘束するように、前記第１出力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面に、前記第２出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面を取り付ける第３の機械的な結合部とを備え、
前記第１出力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量の前記差異により、前記第１出力電気活性ディスク中に剪断歪みが生じ、
前記第１出力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面の前記半径方向の変形により、前記第３の機械的な結合部を介して前記第２出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面に半径方向の歪みが生じ、
前記第２出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の変形は、前記第２出力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面の半径方向の変形よりも大きく、前記第２出力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量に差異が生じ、
前記第２出力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量の前記差異により、前記第２出力電気活性ディスク中に剪断歪みが生じることを特徴とする請求項１３に記載の圧電トランス。
【請求項１５】
第１及び第２の対向する電極化した主要面を有し、該主要面の両端間に電圧を印加すると該主要面が半径方向に変形するように、該主要面に直交する厚さ方向に分極した第２入力電気活性ディスクと、
前記第１入力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面が、少なくとも部分的に前記第２入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の変形を拘束するように、前記第１入力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面に、前記第２入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面を取り付ける第２の機械的な結合部とを備え、
前記第１入力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面による前記半径方向の変形に対する前記拘束により、前記第２入力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面は、前記第２入力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面が半径方向に変形するほど大きくは半径方向に変形することが妨げられ、前記第２入力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量に差異が生じることを特徴とする請求項１２に記載の圧電トランス。
【請求項１６】
第１及び第２の対向する電極化した主要面を有し、該主要面の両端間に電圧を印加すると該主要面が半径方向に変形するように、該主要面に直交する厚さ方向に分極した第２出力電気活性ディスクと、
前記第２出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面が、少なくとも部分的に前記第１出力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面の前記半径方向の変形を拘束するように、前記第１出力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面に、前記第２出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面を取り付ける第３の機械的な結合部とを備え、
前記第１出力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量の前記差異により、前記第１出力電気活性ディスク中に剪断歪みが生じ、
前記第１出力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面の前記半径方向の変形により、前記第３の機械的な結合部を介して前記第２出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面に半径方向の歪みが生じ、
前記第２出力電気活性ディスクの前記第１の電極化した主要面の前記半径方向の変形は、前記第２出力電気活性ディスクの前記第２の電極化した主要面の半径方向の変形よりも大きく、前記第２出力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量に差異が生じ、
前記第２出力電気活性ディスクの前記第１と第２の対向する電極化した主要面の半径方向の変形量の前記差異により、前記第２出力電気活性ディスク中に剪断歪みが生じることを特徴とする請求項１５に記載の圧電トランス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の圧電セラミック層を有する電圧コンバータである圧電トランスに関し、より詳細には、昇圧変換用に複合共鳴振動モードを利用する多層圧電トランスに関する。この多層圧電トランスは、ＥＬ（エレクトロルミネセンス）バックライトを提供する回路内で使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
テレビジョンや蛍光ランプ用バラストなどの装置の内部電力回路内で高電圧を生成するのに巻き線型電磁トランスが用いられてきた。このような電磁トランスは、導体を磁性物質製のコア上に巻いた形態をとる。高い変換比を実現するには導体を多数回巻く必要があるので、効率的で、同時に形状がコンパクトかつ薄型の電磁トランスを製作するのは極めて難しい。さらに、高周波用途に鑑みて、電磁トランスは、ヒステリシス損の急激な増加、うず電流損及び導体の表皮効果損失など、電磁トランスの磁性材料に伴う多くの欠点を有する。これらの損失により、電磁トランスの実用的な周波数範囲が５００ｋＨｚ以下に制限される。
【０００３】
巻き線型トランスのその他の多くの問題に対処するために、従来技術では、圧電効果を利用した圧電セラミックトランス（ＰＴ；ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｅｉｃ  ｃｅｒａｍｉｃ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）が実現された。電磁トランスとは対照的に、ＰＴは、共振周波数においてピークを有する急峻な入出力電圧比周波数特性を有する。この共振周波数は、圧電セラミック層及び電極を含めて、トランスを構成するのに必要な材料の材料定数及び寸法によって決まる。さらに、ＰＴは、一般の電磁トランスに比べて多くの利点を有する。ＰＴのサイズは、同等の変換比の電磁トランスよりもはるかに小さくすることができる。ＰＴは、不燃性とすることができ、電磁誘導ノイズを発生しない。
【０００４】
ＰＴに用いられるセラミックボディは、環、平らなスラブなど様々な形態及び構成をとる。
【０００５】
図１は、従来の典型的なローゼン型圧電トランスを示す部分概略斜視図で、図２は、従来のローゼン型圧電トランスの他の例を示す斜視図である。つまり、図１及び図２は、従来のＰＴの典型的な例を示す図である。
【０００６】
この従来のタイプのＰＴは、一般に、「ローゼン型（Ｒｏｓｅｎ−ｔｙｐｅ）」圧電トランスと称するものである。基本的なローゼン型圧電トランスが開示されており（例えば、特許文献１参照）、従来技術ではこの基本的な機器の多くの変形形態が知られている。典型的なローゼン型ＰＴは、幅よりも長さがかなり長く、厚さよりも幅が相当に広い平らなセラミックスラブ２０を備える。図１に示した例では、圧電ボディ２０の形態は、厚さよりも幅がかなり広く、幅よりも長さが長い平らなスラブである。
【０００７】
図１に示すように、一部分が他の部分と異なるように分極させた圧電ボディ２０が用いられる。スラブ２０のかなりの部分、すなわち、スラブ中央から右側の生成部分２２は長手方向に分極され、分極方向に高インピーダンスを有する。スラブの残りの部分である振動部分２１は、スラブ表面に対して横方向に（厚さ方向に）分極され、分極方向に低インピーダンスを有する。この場合、スラブの振動部分２１は、実際には２つの部分に分割される。振動部分２１の第１部分２４は、一方の横方向に分極され、振動部分２１の第２部分２６も横方向に分極されるが、振動部分２１の第１部分２４の分極方向と反対の方向である。
【０００８】
スラブ２０内で電圧を機械的な応力に関連づけるために電極を設ける。所望の場合には、図１では接地して示す共通電極２８を設けることができる。１次側の接続用であり、スラブ２０の低インピーダンス振動部分２１の両側の面における電圧を関連づけるために、共通電極２８の反対側に電極３０がある。スラブ２０の高インピーダンス生成部分２２で長手方向に生成される応力に電圧を関連づけるために、スラブ端部上に、共通電極２８と協働する２次側すなわち高電圧用電極３５がある。電極３５を出力負荷３６の端子３４に接続し、端子３４の反対側の端部を接地するように示す。
【０００９】
図１に示す構成では、低インピーダンス振動部分２１の電極２８と３０の間に印加する電圧は、高インピーダンス生成部分の電極２８と３５の間でより高い電圧まで昇圧されて、電極２８と３０の間に印加する電圧よりもはるかに高い電圧が負荷３６に供給される。この印加電圧により、それに比例したｘ−ｙ及びｙ−ｚ表面区域の変化によってスラブが変形する。より具体的には、駆動電極２８及び３０にそれぞれ交流電圧を印加することによってローゼン型ＰＴを動作させる。それによって、低インピーダンス振動部分２１に、横効果モード（ｄ３１モード）の縦振動が励起される。低インピーダンス振動部分２１におけるこの横効果モード振動により、高インピーダンス生成部分２２で縦効果による縦振動モード（ｇ３３モード）の振動が励起される。その結果、電極２８と３５の間で高電圧出力が得られる。一方、降圧出力を得るには、縦効果モード振動にかけられている高インピーダンス部分２２を入力として、横効果モード振動を受ける低インピーダンス部分２１を出力として用いればよい。
【００１０】
このような従来のＰＴに固有な問題は、その電力伝達能力が比較的低いことである。従来型ＰＴのこの欠点は、このデバイスの振動部分２１と駆動部分２２の間で実現される機械的な利点が極めてわずかであるか、まったくないことに関連する。駆動及び振動部分がそれぞれ、もともと同じ電気活性部材の一部なので、これらの部分間のエネルギー伝達がポアソン結合（Ｐｏｉｓｓｏｎ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）に制限される。このため、このデバイスの機械的なエネルギー伝達能力が本質的に制限され、それによって、このようなデバイスの電力処理能力が制限される。
【００１１】
さらに、共振状態下であっても、ローゼン型ＰＴの圧電性電圧伝達機能は、圧電部材のｘ−ｙ及びｙ−ｚ表面区域の比例した変化（あるいは、ある種の実施形態では、ｘ−ｙ及びｘ’−ｙ’表面区域の変化）によって実現され、この変化の大きさは比較的小さいので、このような圧電トランスを利用した従来型回路の電力処理能力は本質的に低い。このような従来のＰＴの電力伝達能力はかなり低いので、従来技術では、こうした従来型トランスを１つだけ使用する際に実現可能なものよりも大きい電力伝達能力が得られるように、このようなトランスをいくつか一緒に組み合わせて多層「スタック（ｓｔａｃｋ）」にすることが一般的である。こうすると、もちろん、トランスのサイズ及び製造コストがともに増大する。
【００１２】
さらに、典型的なローゼン型トランスでは、一般に、部材をそれぞれ「プッシュ」及び「プル」して所望の形状にするために、この部材の振動部分２１の両側の面の両端間に正負の電圧を交互に印加する必要がある。圧電部材を「プッシュ」して第１形状にする前半のサイクル動作中に必要なエネルギーの大部分が、「プル」する半サイクル動作中に（熱が発生することによって）失われるので、共振条件下でも、このような従来型ＰＴを組み込んだ従来型電気回路は比較的効率が悪い。このような熱の発生は、回路の効率を下げ、火災の危険性を増大させ、かつ／またはコンポーネント及び回路の信頼性を低くすることに相当する。このような熱を発生する回路の温度を下げるために、（一般に、スイッチングトランジスタその他のコンポ−ネントならびにトランス自体を含めて）この回路のコンポーネントが必要以上に大きくなる。それによって、この回路を利用することができる用途の数が少なくなり、この回路のコスト／価格も高くなる。
【００１３】
厚さ方向に分極させ振動させる（すなわち、振動が各層の分極方向に平行である）ＰＴも一般に知られている。このような厚さモード振動型ＰＴの例が、図３に示すデバイスである（例えば、特許文献２参照）。一般に、厚さモード振動型ＰＴは、相互に積み重ねた低インピーダンス部分１１及び高インピーダンス部分１２を備える。一般に、厚さモード型ＰＴの低インピーダンス部分１１及び高インピーダンス部分１２は、一連の積層セラミックと電極層が交互に並んだ状態で備える。各部分は、少なくとも２つの電極層及び少なくとも１つの圧電材料層からなる。低インピーダンス部分１１の圧電セラミック層及び高インピーダンス部分１２のセラミック層はそれぞれ、（セラミック層間の界面に直交する）厚さ方向に分極させる。各部分１１または１２の交互に並んだ電極層はどれも、相互に、また選択した外部端子に接続し得る。
【００１４】
図３は、従来の典型的な多層厚さモード振動型圧電トランスを示す透視図である。図３に示したＴＭＰＴ（厚さモードＰＴ）は、複数の圧電層２１１から２１４を含む低インピーダンス振動部分１１及び圧電層２２２を含む高インピーダンス振動部分１２を備える。各層は、一体に積層され、厚さ伸張モードで振動が生じる。低インピーダンス部分１１は、多層圧電層２１１から２１４を備える積層構造を有し、各層は、上部表面電極層２０１及び内部電極層２３１から２３４を含む電極間に挿入される。高インピーダンス部分１２は、底部電極層２０２、内部電極層２３４及び電極層２０２と２３４の間に介在する単一圧電層２２２から構築される。矢印で示すように、各圧電層における分極はそれぞれ厚さ方向とする。低インピーダンス部分１１では、交互に並んだ圧電層が互いに反対方向に分極している。高インピーダンス部分１２における分極も厚さ方向とする。このＴＭＰＴは共通電極２３４を有し、それに各部分の１つの端子１６が接続される。図３に示したＴＭＰＴの全体の厚さは、駆動周波数の半波長（λ／２）または１波長（λ）に制限される。
【００１５】
振動部分１１のセラミック層全体の電極層に交流電圧を印加すると、セラミック中で各層の分極方向に平行に縦振動モード（ｄ３３モード）の振動が励起される。低インピーダンス部分１１のこの振動により、高インピーダンス部分１２で（ｇ３３モードの）振動が励起される。また、高インピーダンス部分１２が振動すると、高インピーダンス部分１２のｇ３３モードの変形により、高インピーダンス部分１２の電極の両端間で電圧が生成される。λ／２モード（両端部自由基本モード）またはλモード（両端部自由２次モード）の共振状態の厚さ伸張モードでＴＭＰＴを動作させると、ＴＭＰＴは、１〜１０ＭＨｚの周波数範囲で動作し得る。
【００１６】
従来技術では、ＥＬ（エレクトロルミネセンス）ランプは周知のものである。ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）を暗闇であるいは周囲光が暗い状態で見るには、ＬＣＤディスプレイの背面から前方に光を投影することによって照明しなければならない。ＥＬランプは、液晶ディスプレイ及びキーパッド用に一般的なバックライトである。というのは、ＥＬランプは可撓性、軽量、薄型で、振動及び衝撃に耐性があり、小型で複雑または不規則な形に成形することができるからである。ＥＬランプは、「輝点」を生成せずに、ある区域を均一に照明する。一般に、ＥＬランプは、白熱電球またはＬＥＤ（発光ダイオード）よりも電流消費量がはるかに少ないので、電力消費量及び発生する熱が少なくなり、また可撓性であることから、電池駆動の携帯用途に理想的である。典型的なＥＬランプによるバックライトの応用例には、キーレスエントリシステム（ｋｅｙｌｅｓｓ  ｅｎｔｒｙ  ｓｙｓｔｅｍ）、オーディオ／ビデオ機器のリモートコントローラ、ＰＤＡ用のキーボード及びディスプレイ、時計及び腕時計、携帯電話のＬＣＤディスプレイ、携帯無線呼出し器及び手持ち式ＧＰＳ（全世界測位システム）、計器の前面照明、建築物の補助照明ならびに掲示ディスプレイ及び商品ディスプレイの装飾照明がある。典型的なＥＬランプの応用例には、安全用の照明、携帯型計器、電池作動ディスプレイ、ＬＣＤモジュール、玩具、車載用ディスプレイ、常夜灯、パネルメータ、時計及びラジオ、手持ち式コンピュータ及び発信者番号通知用ディスプレイなど様々な他の装置が含まれる。
【００１７】
ローゼン型ＰＴ及びＴＭＰＴに共通する特徴は、それらが、主に１つの面または方向（すなわち、半径方向または長手方向の面ならびに厚さまたは長手方向）に沿って共振モードで好ましく振動することである。
【００１８】
【特許文献１】
米国特許第２，８３０，２７４号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，１１８，９８２号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，３２７，０４１号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，７９６，２０７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、従来のローゼン型ＰＴの問題は、電力密度が５〜１０ワット／ｃｍ3に制限され、それによって小型サイズ用途への応用に限られることである。
【００２０】
また、ローゼン型ＰＴの他の問題は、それらを２方向に分極させる工程が複雑なことである。
また、ローゼン型ＰＴの他の問題は、一般に、分極応力により、各区画間の界面で機械的な疲労及び破壊が生じることである。
【００２１】
また、ローゼン型ＰＴの他の問題は、それらが装着しにくく、そのため複雑な装着用のハウジングを有することである。
【００２２】
また、ローゼン型ＰＴの他の問題は、ＥＬ（エレクトロルミネセンス）デバイスを駆動するのに十分な電力が発生しないことである。
【００２３】
また、ＴＭＰＴの問題は、ＴＭＰＴによって生成される電圧が、低負荷（１００〜１０００オーム）に最適化されており、ＥＬデバイス（５０Ｋ〜１００Ｋオーム）を駆動するなどの応用例には低すぎることである。
【００２４】
また、ＴＭＰＴの他の問題は、厚さモード共振周波数が一部の応用例には高すぎることである。
【００２５】
また、ＴＭＰＴの他の問題は、層の追加により、ＰＴのプロフィール（高さ）が小型回路内に配置するには高くなりすぎることである。
【００２６】
また、ＴＭＰＴの他の問題は、層の追加により、厚さ寸法が長手または半径寸法に近づきすぎることである。
【００２７】
また、従来型ＰＴの他の問題は、ＰＴに層を追加してもこのようなデバイスの電力密度が大きく上がらず、容量損失及び誘電損失が増大し得ることである。
【００２８】
また、ＴＭＰＴの他の問題は、厚さモード共振に影響を及ぼすいくつかの（縦モード）スプリアス共振ピークのために、トランスの効率が低いことである。
【００２９】
また、ＴＭＰＴの他の問題は、駆動回路に応用すると、循環電流によって生じる電力損失のために、効率の周波数特性が悪いことである。
【００３０】
また、ローゼン型ＰＴ及びＴＭＰＴの他の問題は、一部の応用例では、それらの電力伝達能力が十分でないことである。
【００３１】
また、ローゼン型ＰＴ及びＴＭＰＴの他の問題は、一部の応用例では、特にサイズの制約がある応用例では、それらの電力密度が十分でないことである。
【００３２】
したがって、同様のサイズの従来型圧電トランスよりも電力伝達能力が高い圧電トランス設計が提供されることが望ましい。
【００３３】
また、従来の圧電トランスよりも小型で、同様の電力密度及び伝達能力を有する圧電トランスが提供されることが望ましい。
【００３４】
また、同様のサイズの従来の圧電トランスよりも高い電圧を発生する圧電トランス設計が提供されることが望ましい。
【００３５】
また、従来の圧電トランスよりも小型で同様の電圧出力を有するが、電力密度はそれらよりも低い圧電トランスが提供されることが望ましい。
【００３６】
また、同様の電力伝達能力及び電圧出力を有する従来の圧電トランスと比べて低プロフィールの圧電トランスが提供されることが望ましい。
【００３７】
また、デバイスの「駆動」部分及び「被駆動」部分が同じ電気活性要素ではない圧電トランスが提供されることが望ましい。
【００３８】
また、デバイスの駆動部分と被駆動部分の間で、大きな機械的な利点が生じる圧電トランスが提供されることが望ましい。
【００３９】
また、ＥＬバックライト付きデバイスに使用するために、上述した特徴とする圧電トランスを組み込んだ駆動回路が提供されることが望ましい。
【００４０】
また、スペースが限られた用途に適合するように十分に小型化された圧電トランスが提供されることが望ましい。
【００４１】
また、ＥＬデバイス用の大始動電圧を生成することができる圧電トランスが提供されることが望ましい。
【００４２】
また、定常状態動作で、ＥＬデバイスを駆動するのに十分な電力を生成することができる圧電トランスが提供されることが望ましい。
【００４３】
また、小型化することができるように高電力密度を有する圧電トランスが提供されることが望ましい。
【００４４】
したがって、本発明の目的は、同様のサイズの従来の圧電トランスよりも電力密度及び伝達能力が高い圧電トランスを提供することである。
【００４５】
また、本発明の他の目的は、同様の電力伝達能力を有する従来の圧電トランスよりもサイズが小型でプロフィールが低いことを特徴とする圧電トランスを提供することである。
【００４６】
また、本発明の他の目的は、同様のサイズの従来の圧電トランスよりも高い電圧を生成する圧電トランスを提供することである。
【００４７】
また、本発明の他の目的は、同様の電圧出力を有する従来の圧電トランスよりもサイズが小型でプロフィールが低いことを特徴とする圧電トランスを提供することである。
【００４８】
また、本発明の他の目的は、デバイスの「駆動」部分及び「被駆動」部分が同じ電気活性要素ではないことを特徴とする圧電トランスを提供することである。
【００４９】
また、本発明の他の目的は、デバイスの駆動部分と被駆動部分の間で、大きな機械的な利点が生じることを特徴とする圧電トランスを提供することである。
【００５０】
また、本発明の他の目的は、同等の電力変換機能を実施する従来の圧電トランスよりも比較的安く製造されることを特徴とする圧電トランスを提供することである。
【００５１】
また、本発明の他の目的は、従来の圧電トランスよりも高い電圧利得を得ることができることを特徴とする圧電トランスを提供することである。
【００５２】
また、本発明の他の目的は、従来の圧電トランスよりも簡単に製造できることを特徴とする圧電トランスを提供することである。
【００５３】
また、本発明の他の目的は、容量損失及び誘電損失による損失がより少ないことを特徴とする圧電トランスを提供することである。
【００５４】
また、本発明の他の目的は、従来の圧電トランスよりも熱の発生が少なく、それによって、熱による損失が少ない圧電トランスを提供することである。
【００５５】
また、本発明の他の目的は、上述した圧電トランスを組み込んだインバータ回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００５６】
本発明によれば、好ましくは固有（すなわち共振）周波数で動作し、第１の特徴（すなわち、電圧、周波数及び電流）のトランス入力信号を、第２の特徴（すなわち、電圧、周波数及び電流）のトランス出力信号に変換するＰＴ（圧電トランス）が提供される。ここで開示するＰＴは、ＰＴの入力「駆動」領域に交流電圧（または、ある種の実施形態ではパルス化した電圧）をかけて１つ（または複数）の入力部分を変形させ振動させ、それによって１つ（または複数）の出力部を振動させてＰＴの「被駆動」出力部を変形させ、それによってこのトランスの被駆動領域において出力電圧を生成することによって、上述した信号変換を効率的に実現する。
【００５７】
本発明の好ましい実施形態により、多層圧電トランスＰＴが提供される。好ましくは、このＰＴは、１つまたは複数のＰＺＴ層を備えるディスク形状の入力部を有する。入力層は各主要面上で電極化され、これらの電極間で入力層の主要面に直交するように（厚さ方向に）入力層を分極させる。交流電圧を印加すると、１つ（または複数）の入力層が、電圧の極性に応じて伸縮する。
【００５８】
このＰＴの出力層は、主要面に沿って入力部に結合された１つまたは複数のディスク形状のＰＺＴ層を備える。好ましくは、この出力層は、その２つの両側の主要面上に電極を有する。これらの電極間で出力層の主要面に直交するように（厚さ方向に）出力層を分極させる。入力部を変形させると、出力層が変形し、それによって、出力電極両端間で出力電圧が生成される。他の実施形態では、入力部分と出力層の間にアルミナなどの絶縁体層を結合して、入力側と出力側の間に電気的な分離をもたらすことができる。この出力電圧を、ＥＬ（エレクトロルミネセンス）デバイスを駆動する共振回路に印加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
以下、図面を参照して本発明の実施の態様について説明する。
【００６０】
本発明の好ましい実施形態によれば、固有（すなわち「共振」）周波数で動作し、第１の特徴（すなわち、電圧、周波数及び電流）のトランス入力信号を、第２の特徴（すなわち、電圧、周波数及び電流）のトランス出力信号に変換する圧電トランス１を組み込んだ電気回路が提供される。この電気回路は、好ましくは、直流源によって駆動されるが、整流交流源によって駆動することもでき、圧電トランス１の駆動（または「入力」）領域１Ａに第１極性の電圧をかけて圧電トランス１の入力部を変形させ、それによって圧電トランスの機械的に結合した被駆動（または「出力」）領域１Ｂを変形させてトランス１の被駆動領域１Ｂにおいて出力電圧を生成することによって、上述した信号変換を効率的に実現する。
【００６１】
本発明の原理に従って構築され動作する回路は、高いエネルギー（電力及び電圧）伝達を実現することができる多層圧電トランス１を使用することによって最も有利に実施することができる。したがって、以下に、好ましい高性能多層圧電トランスの構造及び特徴を説明する。ただし、本発明の改変実施形態において他の従来方式の圧電トランスを使用して、このような従来型トランスの動作上の（すなわち、電圧変換及び電力伝達）性能を有利に最適化することができる。
【００６２】
高電力密度能力を実現することができる多層圧電トランスＰＴを備える本発明の好ましい実施形態では、ＥＬデバイス用の電源及び制御を提供する電圧コンバータ回路にこのＰＴを使用することができる。ただし、本発明のＰＴは多くの用途に有利に使用することができ、したがって、本発明の技術的範囲は、このトランスの出力を適用し得る「負荷」の性質または説明によって限定されるべきではない。
【００６３】
本発明では、従来方式の縦または厚さモード共振振動を利用しない、昇圧変換用途に排他的に用いる多層圧電トランスが提供される。典型的なＰＴでは、回路の各応用例に対してより大きな電圧利得及び電力が提供されるように試みる際に様々な構造が用いられる。圧電ボディ中の電気機械的な相互作用は、下記の式／行列中でそれらの相互関係が表される構成則（ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ  Ｌａｗ）によって決まる。
【００６４】
（１）Ｓ＝ｓEＴ＋ｄＥ
（２）Ｄ＝εTＥ＋ｄ’Ｔ
【００６５】
特にＰＺＴセラミック材料の場合には、以下のようになる。
【００６６】
【数１】
2005505132.tif 000003
【００６７】
上述した式において、Ｓは歪みに関連する６×１の行列であり、Ｔは応力に関連する６×１の行列である。歪み行列Ｓは、直線歪み（ε）及び剪断歪み（γ）の要素を含み、応力行列Ｔは、直線応力（σ）及び剪断応力（τ）の要素を含む。Ｄは電気的な変位に関連する３×１の行列であり、Ｅは電界に関連する３×１の行列である。ｓEは、直交座標軸及び剪断軸に沿って材料のゼロフィールドコンプライアンス（ｚｅｒｏ  ｆｉｅｌｄ  ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）を表す６×６の行列であり、純粋に機械的な変形を表す。εTは、直交座標軸に沿って一定ゼロ応力条件下での誘電率を表す３×３の行列であり、材料の純粋に電気的な挙動を表す。本発明は圧電材料に関与するので、この材料の電気的及び機械的な挙動は、圧電係数行列（６×３行例ｄ及び転置３×６行例ｄ’）によって相互に関係する。
【００６８】
圧電材料において可能な電気機械的な変形は、分極軸に平行なｄ33変形、分極軸に直交するｄ31変形及び分極軸に関する剪断変形であるｄ15変形である。そのため、分極化した材料のブロックでは、ｄ33係数は、ｚ（すなわち３）方向に沿って応力σ3を加えるときに得られる。電荷はｚ方向に直交する面上でも集められる。ｄ31係数を測定するには、ｘ（すなわち１）またはｙ（すなわち２）方向に沿って応力または応力成分σ1またはσ2を加え、分極はｚ方向に直交する面上で得られる。ただし、この係数は、ｄ33係数に対して符号が負である。同様に、ｄ15成分を測定するには、剪断応力σ23（σ4）をまたはσ13（σ5）を加えなければならず、その後、ｘ方向に直交する面上で分極を測定する。
【００６９】
ローゼン型トランスに上述した行列を適用すると、ローゼン型トランスは、主にその縦軸に沿ったｄ31変形に依存することがわかる。縦軸に直交する軸ではそれに対応する変形があるが、これらの軸に沿った変形はこれらの軸に沿った寸法に比例し、ポアソン結合の関数である。ローゼン型トランスの縦寸法は、幅よりも大きく、厚さよりもはるかに大きいので、厚さ及び幅方向の変形及び得られる電界は単に高次の影響であり、これらの方向の電界に大きく寄与しない。実際、ｄ33及びｄ31方向の電界は反対極性のものであり、したがって、ｄ33モードの電界はｄ31モードで生成される電界を減少させる。
【００７０】
さらに、ローゼン型トランスは自由振動モード状態にあり、一般に、その振動ノードの１つまたは複数によって取り付けられるので、ローゼン型トランスでは、その変形における制約が全くない。したがって、ローゼン型トランスは、主に、変形の傾向が自然である軸、すなわち、縦軸に沿ってのみ変形する。ローゼン型トランスは、剪断軸に沿っては変形せず、剪断歪みを示すようには分極、拘束その他の方法で配設されない。
【００７１】
ＴＭＰＴ（厚さ伸張モードの圧電トランス）に上述した行列を適用すると、ＴＭＰＴは、主にその厚さ軸に沿ったｄ33変形に依存することがわかる。厚さ軸に直交する軸ではそれに対応する変形があるが、これらの軸に沿った変形はこれらの軸に沿った寸法に比例し、ポアソン結合の関数である。ＴＭＰＴは、ＴＭＰＴの幅（または半径）よりもはるかに小さい各層の厚さに関連する周波数で駆動されるので、幅（半径）方向の変形及び得られる電界は単に高次の影響であり、この方向の電界に大きく寄与しない。実際、ｄ33及びｄ31方向の電界は反対極性のものであり、したがって、一方は、他方によって生成される電界を減少させる。
【００７２】
さらに、ＴＭＰＴは自由振動モード状態にあり、一般に、その振動ノードの１つまたは複数によって取り付けられるので、ＴＭＰＴでは、その変形における制約が全くない。したがって、ＴＭＰＴは、主に、変形の傾向が自然である軸、すなわち厚さ軸に沿ってのみ変形する。また、ＴＭＰＴは、剪断軸に沿っては変形せず、剪断歪みを示すようには分極、拘束その他の方法で配設されない。
【００７３】
上述した例では、ＰＺＴ材料の電気機械的な特性を論じている。他の圧電材料は、ＢａＴｉＯ3、ＰｂＺｒＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＰｂＮｂ2Ｏ6、（Ｐｂ、Ｃａ）ＴｉＯ3、（Ｐｂ、Ｓｍ）ＴｉＯ3、Ｐｂ（ＮｂＯ2）2／ＰｂＴｉＯ3、Ｂｉ4Ｔｉ3Ｏ6、Ｂｉ4.5Ｎａ0.5Ｔｉ4Ｏ15、（１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ｘＰｂＴｉＯ3、（１−ｘ−ｙ）Ｐｂ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ｘＰｂＴｉＯ3−ｙＢａＴｉＯ3、及び（１−ｘ−ｙ）Ｐｂ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ｘＢａＴｉＯ3−ｙＰｂＴｉＯ3、ｘＰＺＮ−（１−ｘ）ＰＭＮ、ｘＰＭＮ−１−ｘ）ＰＺＴ、ＰＮＮ−ＰＺ−ＰＴ及びｘＰＺＮ−（１−ｘ）ＰＺＴを含めて、剪断及び垂直応力を加えると同様な挙動を示す。分極は、材料の結晶学的構造によって決まる係数行列ｄに依存する。
【００７４】
従来の装置では、行列の剪断成分（ｄ15、Ｓ44、Ｓ55、Ｓ66、γ及びτ）を利用しようと試みられてきた。これは、剪断モードの典型的な圧電係数が、横方向モードのものよりも３倍大きく、かつ縦モードよりも大きいからである。例えば、ＰＺＴ８（硬質ＰＺＴ）では、ｄ33＝２７５ｐＣ／Ｎ、ｄ31＝−１０９ｐＣ／Ｎ及びｄ15＝４５０ｐＣ／Ｎである。この例からわかるように、ｄ15成分は、ｄ33係数よりも約６０％大きく、ｄ31係数の３倍よりも大きい。いくつかの従来型デバイスには、２軸性変換器（例えば、特許文献３参照）及び複合アクチュエータ（例えば、特許文献４参照）が含まれる。
【００７５】
特許文献３に記載のデバイスは、段階的またはらせん状に分極させた電気的に変形可能な材料の層を利用して、界面に沿って直線状に剪断変形をもたらす。特許文献４に記載のデバイスは、分極方向に対してある角度を向いたセラミック相を有するセラミック／ポリマー複合体を利用して剪断応力を生成する。非セラミック相（ロッド）が、１つまたは複数の軸に沿ってセラミック構造を通って延び、それによって、望ましくない変形、すなわちｄ３１モードの変形を打ち消すか、あるいは最小限に抑える。
【００７６】
しかし、ｄ15成分の大きな値を利用して圧電デバイス、特に圧電トランスの性能を増強させる努力はほとんど成功しなかった。それは、ｄ15成分を利用するには、剪断応力σ4またはσ5を加え、ｘまたはｙ方向に直交する面上に電荷を集めることが必要だからである。
【００７７】
本発明は、ＰＴが剪断軸に沿ってｄ15モードで変形して剪断歪みを示すことができる設計の多層圧電トランスを備える。この構成のＰＴでは、縦または半径方向の振動軸を機械的に拘束して、以下の設計を用いた複合共振モードを利用することによって大電力が得られる。
【００７８】
図４は、本発明の圧電トランスの２層式の実施形態を示す斜視図で、ディスク形状の構成を伴うものである。なお、図４〜図１０を通して、同じ構成要素については同一の符号を付してある。
【００７９】
本発明の圧電トランス（ＰＴ）１は、入力部１Ａ及び出力部１Ｂを備えている。この入力部１Ａ及び出力部１Ｂは、それぞれ電気活性材料、好ましくはＰＺＴからなる単一の薄いディスク形状の入力層４０及び出力層５０を備えている。この入力層４０及び出力層５０は、主要面４０ａ及び５０ａに沿って、好ましくはセラミック層４０と５０の間で一緒に焼成した銀、ニッケルまたは銀−パラジウムメタライゼーション（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）を含む中央電極４５に結合されている。中央電極４５は、銀／パラジウムメタライゼーションを含むが、白金、パラジウム、銀、金その他の様々な導電金属及び酸化金属ならびにそれらの組合せを含む他のメタライゼーション材料を用いることができる。中央電極４５は、Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ社製イミド接着剤などの強力な接着剤を用いて、入力層４０と出力層５０の間に結合された銅箔などの金属箔も含み得る。
【００８０】
主要面４０ｂ及び５０ｂのその他の部分（入力層４０及び出力層５０の外側の面）も、それらの上に電極層３９及び５１がそれぞれ結合されている。好ましくは、これらの電極層は、それらの上に一緒に焼成した銀または銀−パラジウムメタライゼーションを含む。電極３９、４５及び５１はすべて銀／パラジウムメタライゼーションを含むが、白金、パラジウム、銀、金その他の様々な導電金属及び酸化金属メタライゼーションならびにそれらの組合せを含む他のメタライゼーションを用いることができる。電極３９、４５及び５１の一部またはすべては、Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ社製イミド接着剤などの強力な接着剤を用いて、入力層４０または出力層５０に結合した銅箔などの金属箔も含み得る。Ｃｉｂａ社製接着剤を用いて入力層４０または出力層５０の外側の面に電極３９及び５１を結合する代わりに、あるいはそれに加えて、入力層４０または出力層５０の主要面４０ｂ及び５０ｂ上に、電極３９及び５１を電着または蒸着させることができる。好ましくは、外側の入力電極３９を入力端子６８（図５Ａ参照）に接続し、中央電極４５を接地する。あるいは、中央電極４５を入力端子６８に接続し、入力電極３９を接地することもできる。また、外側の出力電極５１も出力端子６７に接続することができる。
【００８１】
入力層４０及び出力層５０をともに、それらのそれぞれの主要面４０ａと４０ｂ及び主要面５０ａと５０ｂの間で分極する。より具体的には、矢印９０（図５Ａ参照）で示すように、好ましくは入力層４０をその主要面４０ａ及び４０ｂに直交する厚さ方向に分極する。こうすると、入力電極３９と中央電極４５の両端間に第１極性の入力電圧を印加するときに、入力層（入力セラミック層）４０は、圧電効果により半径方向に収縮して変形する。入力電極３９と中央電極４５の両端間に反対の極性の第２入力電圧をかけると、入力層４０は、圧電効果により半径方向に伸張して変形する。したがって、入力端子６８に交流電圧を印加すると、入力層４０が印加電圧の周波数で循環的に伸縮する。
【００８２】
さらに、矢印９２（図５Ａ参照）で示すように、出力層５０をその主要面５０ａ及び５０ｂに直交する厚さ方向に分極する。こうすると、出力電極５１と中央電極４５の両端間に第１極性の電圧を印加するときに、出力層（出力セラミック層）５０は、圧電効果により半径方向に収縮して変形する傾向がある。出力電極５１と中央電極４５の両端間に反対の極性の第２電圧を印加すると、出力層５０は、圧電効果により半径方向に伸張して変形する。したがって、出力端子６７に交流電圧を印加すると、同様に、出力層５０が印加電圧の周波数で循環的に伸縮する。逆圧電効果により、出力層５０の機械的な歪みに応答して電界も生成される。すなわち、出力層５０に第１の機械的な応力、すなわち圧縮をかけると、得られた（剪断、厚さ及び横方向／半径方向）歪みにより、出力層５０が第１極性の電界を生成する。逆に、出力層５０に他の機械的な応力、すなわち引張応力をかけると、得られた（剪断、厚さ及び横方向／半径方向）歪みにより、出力層５０が第２の反対の極性の電界を生成する。すなわち、出力層５０を循環的に伸縮させると、出力層５０の電極４５と５１の間に振動する電界が生成される。
【００８３】
図５Ａ〜図５Ｃは、図４に示した圧電トランスを示す立面図で、入力層及び出力層における非対称応力を示す図である。入力層４０及び出力層５０が互いに機械的に結合していることが、このＰＴ１の動作に本質的であることが示されている。より具体的には、入力層４０及び出力層５０がそれぞれ、一緒に焼成された中央電極及び／または接着剤及び／または金属層などのボンドライン（ｂｏｎｄｌｉｎｅ）または界面結合層６０を介して互いに機械的に結合する。ボンドラインまたは界面結合層６０の主要な機能は、それらが入力層４０の結合面４０ａの変形に対する機械的な拘束を行う拘束層として作用することである。すなわち、入力層４０に電界を印加すると、入力層４０の結合面４０ａは、入力層４０の反対側の「自由」面４０ｂよりも伸縮が小さい。ボンドラインまたは界面結合層６０は、出力層５０との強力な機械的結合としても作用し、ボンドライン６０から出力層５０の結合面５０ａに機械的な動きを並進移動させることができる。したがって、ボンドラインまたは界面結合層６０の変形に応答して出力層５０の結合面５０ａが変形すると、結合面５０ａは、出力層５０の反対側の「自由」面５０ｂよりも大きく伸縮する。
【００８４】
図６は、本発明の圧電トランスの他の実施形態を示す立面図で、分離層及び複数の出力層を有する電気接続部を示す図である。この実施形態では、ＰＴ２は、入力部２Ａ及び出力部２Ｂの間で結合した絶縁体層６５を含む界面結合層６０を有する。より具体的には、入力部２Ａ及び出力部２Ｂはそれぞれ、電気活性材料、好ましくはＰＺＴからなる１つまたは複数の薄いディスク形状の層を備えている。入力部２Ａは、電極２４１及び２４２が結合された２つの主要面２４０ａ及び２４０ｂを有する入力層２４０を備えている。出力部２Ｂは２つの出力層２５０及び２７０を備え、同様にそれぞれが、２つの主要面２５０ａと２５０ｂ及び主要面２７０ａと２７０ｂを有し、それらの上に各々電極２５１、２５２及び２５３が結合されている。電極２４１、２４２、２５１、２５２及び２５３は、セラミック層２４０、２５０及び２７０に一緒に焼成された銀または銀−パラジウムメタライゼーションを含む。また、電極２４１、２４２、２５１、２５２及び２５３は、銀／パラジウムメタライゼーションを含むが、白金、パラジウム、銀、ニッケル、金その他の様々な導電金属及び酸化金属メタライゼーションならびにそれらの組合せを含む他のメタライゼーションを用いることができる。また、電極２４１、２４２、２５１、２５２及び２５３の一部またはすべては、Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ社製イミド接着剤などの強力な接着剤を用いて、入力層２４０及び出力層２５０に結合した銅箔などの金属箔も含み得る。Ｃｉｂａ社製接着剤を用いて入力層２４０または出力層２５０及び２７０の外側の面に、電極２４１、２４２、２５１、２５２及び２５３を結合する代わりに、あるいはそれに加えて、入力層２４０または出力層２５０及び２７０の主要面２４０ａと２４０ｂ、２５０ａと２５０ｂ及び２７０ａと２７０ｂ上に、電極２４１、２４２、２５１、２５２及び２５３を電着または蒸着させることができる。
【００８５】
好ましくは、一方の入力電極２４１を入力端子２６８に接続し、他方の電極２４２を接地する。あるいは、電極２４２を入力端２６８に接続し、反対側の入力電極２４１を接地することもできる。同様に、出力層２５０及び２７０では、１つの出力電極２５２を出力端子２６７に接続し、他の電極２５１及び２５３を接地する。あるいは、電極２５１及び２５３を出力端子２６７に接続し、出力電極２５２を接地することもできる。
【００８６】
入力層２４０及び出力層２５０及び２７０を、それらのそれぞれの主要面の間で分極する。より具体的には、矢印２９０で示すように、入力層２４０をその主要面２４０ａ及び２４０ｂに直交する厚さ方向に分極する。こうすると、入力電極２４１と２４２の両端間に第１極性の入力電圧を印加するときに、入力層２４０は、圧電効果により半径方向に収縮して変形する。また、入力電極２４１と２４２の両端間に反対の極性の第２入力電圧をかけると、入力層２４０は、圧電効果により半径方向に伸張して変形する。したがって、入力端子２６８に交流電圧を印加すると、入力層２４０が印加電圧の周波数で循環的に伸縮する。
【００８７】
さらに、矢印２９２及び２９４で示すように、出力層２５０及び２７０を、それらのそれぞれの主要面２５０ａと２５０ｂ及び２７０ａと２７０ｂに直交する厚さ方向に分極する。好ましくは、中央電極２５２を間に有する面２５０ｂ及び２７０ｂに向かって出力層２５０及び２７０を分極する。出力電極２５１と２５２の両端間に第１極性の電圧を印加すると、出力層２５０は、圧電効果により半径方向に収縮して変形する。同様に、出力電極２５３と２５２の両端間に第１極性の電圧を印加すると、出力層２７０は、圧電効果により半径方向に収縮して変形する。出力電極２５１と２５２の両端間に反対の極性の第２電圧をかけると、出力層２５０は、圧電効果により半径方向に伸張して変形する。同様に、出力電極２５３と２５２の両端間に反対の極性の第２電圧をかけると、出力層２７０は、圧電効果により半径方向に伸張して変形する。したがって、出力端子２６７に交流電圧を印加すると、出力層２５０及び２７０が印加電圧の周波数で循環的に伸縮する。
【００８８】
逆圧電効果により、出力層２５０及び２７０の機械的な歪みに応答して電界も生成される。すなわち、出力層２５０及び２７０に機械的な応力をかけると、すなわち圧縮すると、得られた（剪断、厚さ及び横方向／半径方向）歪みにより、出力層２５０及び２７０が、出力電極２５１と２５２及び出力電極２５２と２５３の間に第１極性の電界を生成する。逆に、出力層２５０及び２７０に他の機械的な応力、すなわち引張応力をかけると、得られた（剪断、厚さ及び縦方向／半径方向）歪みにより、出力層２５０及び２７０が、出力電極２５１と２５２及び出力電極２５３と２５２の間に第２の反対の極性の電界を生成する。したがって、出力層２５０及び２７０を循環的に伸縮させると、出力電極２５１と２５２及び出力電極２５３と２５２の間に振動する電界が生成される。
【００８９】
ＰＴ２の動作に本質的なのは、入力層２４０及び出力層２５０が、界面結合層６０で互いに機械的に結合していることである。より具体的には、入力層２４０及び出力層２５０がそれぞれ、界面結合層６０として働く絶縁体層６５を介して互いに機械的に結合されている。好ましくは、絶縁体層６５は、入力層２４０及び出力層２５０の金属化した面２４０ａと２５０ａの間で一緒に焼成したアルミナの層を備えている。絶縁体層６５は、他のセラミックまたはＣｉｂａ社製接着剤などの強力な接着剤の層を含めて、他の絶縁体または誘電体材料も含み得る。入力層２４０及び出力層２５０及び２７０とともに絶縁体層６５を一緒に焼成する代わりに、Ｃｉｂａ社製接着剤などの強力な接着剤を用いて、入力層２４０及び出力層２５０の中央面（主要面）２４０ａと２５０ａの間で絶縁体層６５を結合することができる。絶縁体層６５は、一方の主要面６５ａ上に入力層２４０の中央面２４０ａとの第１ボンドライン７１及び反対側の主要面６５ｂ上に出力層２５０の中央面２５０ａとの第２ボンドライン７２を有する。好ましくは、絶縁体層６５は、入力層２４０を構築する材料よりもわずかに剛性が高いが、入力層２４０の変形に応答して変形するのに十分にコンプライアントである（すなわち、完全には剛体ではない）。ボンドライン７１及び７２における絶縁体層６５との機械的な結合強度は、絶縁体層６５の変形を少なくとも部分的に出力層２５０の中央面２５０ａに並進移動させるのに十分であることが好ましい。
【００９０】
絶縁体層６５の主要な機能は、それが入力層２４０の結合面２４０ａの変形に対する機械的な拘束として作用することである。絶縁体層６５は、出力層２５０及び２７０との強力な機械的結合としても作用し、入力層２４０の結合面２４０ａから出力層２５０の結合面２５０ａに機械的な動き（変形）を並進移動させることができる。すなわち、入力層２４０に電界を印加すると、入力層２４０の結合面２４０ａは、入力層２４０の反対側の「自由」面２４０ｂよりも伸縮が小さい。逆に、絶縁体層６５の変形に応答して出力層２５０の結合面２５０ａが変形すると、結合面２５０ａは、出力層２５０及び２７０の反対側の「自由」面２５０ｂ及び２７０ｂよりも大きく伸縮する。
【００９１】
動作においては、入力層２４０の電極２４１と２４２の両端間で入力端子２６８に第１極性の電圧を印加すると、入力層２４０の半径方向ｄ３１モードの変形（伸張）が生じる傾向がある。入力層２４０の自由面２４０ｂは、典型的なｄ３１の変形下で変形するはずのところまで変形（伸張）することができる。しかし、入力層２４０の結合面（中央面）２４０ａはボンドライン７１のところで絶縁体層６５に拘束されるので、中央面２４０ａは、拘束されていない場合に延びるところまで完全に延びることができない。同様に、入力層２４０の電極２４１と２４２の両端間で入力端子２６８に第２の反対の極性の電圧を印加すると、入力層２４０の半径方向ｄ３１モードの変形（収縮）が生じる傾向がある。入力層２４０の自由面２４０ｂは、典型的なｄ３１の変形下で変形するはずのところまで変形（収縮）することができる。しかし、入力層２４０の中央面２４０ａはボンドライン７１のところで絶縁体層６５に拘束されるので、中央面２４０ａは、拘束されていない場合に変形するところまで完全に変形（収縮）することができない。
【００９２】
入力層２４０の中央面２４０ａが伸縮すると、それとともに、材料の相対的な剛性に応じて絶縁体層６５が伸縮する。好ましくは、絶縁体層６５は、入力層２４０を構築する材料よりもわずかに剛性が高いが、入力層２４０の変形に応答して変形するのに十分にコンプライアントである（すなわち、完全には剛体ではない）。ボンドライン７１及び７２における絶縁体層６５との機械的な結合強度は、入力層２４０及び絶縁体層６５の動きを少なくとも部分的に出力層２５０の中央面２５０ａに、さらには出力層２７０に並進移動させるのに十分であることが好ましい。
【００９３】
入力層２４０の中央面２４０ａが伸縮すると、それとともに、結合された絶縁体層６５が伸縮する。結合された絶縁体層６５は、その動きを少なくとも部分的に、それに取り付けられた出力層２５０の中央面２５０ａに、さらには出力層２７０に並進移動させる。より具体的には、結合された絶縁体層６５が、それに取り付けられた入力層２４０の伸張に応答して延びるとき、結合された絶縁体層６５は、出力層２５０の中央面２５０ａに引張応力を加える。この引張応力に応答して、出力層２５０が延びる。出力層２５０の中央面２５０ａのところに引張応力が加えられ、反対側の面２５０ｂが第２出力層２７０の面２７０ａに結合しているので、出力層２５０の反対側の面２５０ｂは、中央面２５０ａほど大きくは変形しない。すなわち、出力層２５０の一方の面２５０ｂは変形が拘束され、したがって、出力層２５０の中央面２５０ａほど大きくは歪みが生じたり、延びたりしない。出力層２５０の反対側の面２５０ｂは、第２出力層の面２７０ａに結合しており、その動きを面２７０ａに並進移動させる。このため、第２出力層２７０の面２７０ａには、第１出力層２５０の結合面２５０ｂによって引張応力がかかる。この引張応力は出力層２７０の中央面２７０ａにしか加えられず、反対側の「自由」面２７０ｂには直接引張応力が加えられないので、出力層２７０の「自由」面２７０ｂにおける応力は、中央面２７０ａから出力層２７０を通って並進移動する大きさにすぎない。すなわち、出力層２７０の「自由」面２７０ｂには同じ大きさの引張応力が加えられず、したがって、出力層２７０の中央面２７０ａほど大きくは歪みが生じたり、延びたりしない。
【００９４】
同様に、結合された絶縁体層６５が、それに取り付けられた入力層２４０の収縮に応答して収縮するとき、結合された絶縁体層６５は、出力層２５０の中央面２５０ａに圧縮応力を加える。この圧縮応力に応答して、出力層２５０が収縮する。出力層２５０の中央面２５０ａのところに圧縮応力が加えられ、反対側の面２５０ｂが第２出力層２７０の面２７０ａに結合しているので、出力層２５０の反対側の面２５０ｂは、中央面２５０ａほど大きくは変形しない。すなわち、出力層２５０の一方の面２５０ｂは変形が拘束され、したがって、出力層２５０の中央面２５０ａほど大きくは歪みが生じたり、収縮したりしない。出力層２５０の反対側の面２５０ｂは、第２出力層の面２７０ａに結合しており、その動きを面２７０ａに並進移動させる。このため、第２出力層２７０の面２７０ａには、第１出力層２５０の結合面２５０ｂによって圧縮応力が加えられる。この圧縮応力は出力層２７０の中央面２７０ａにしか加えられず、反対側の「自由」面２７０ｂには直接圧縮応力が加えられないので、出力層２７０の「自由」面２７０ｂにおける応力は、中央面２７０ａから出力層２７０を通って並進移動する大きさにすぎない。すなわち、出力層２７０の「自由」面２７０ｂには同じ大きさの圧縮応力が加えられず、したがって、出力層２７０の中央面２７０ａほど大きくは歪みが生じたり、収縮したりしない。
【００９５】
したがって、入力層２４０の電極２４１と２４２の両端間に交流電圧を印加すると、入力層２４０が変形して結合された絶縁体層６５が変形し、それによって、ＰＴ２の出力層２５０及び２７０が変形する。結合された絶縁体層６５によって課される拘束がない状態でこのように変形させると、単にｄ３１タイプの半径方向の変形となろう。しかし、ボンドライン７１のところで結合された絶縁体層６５によって課される拘束のために、入力層２４０にはその厚さに沿って分散した応力勾配が示され、その結果、入力層２４０は剪断歪みを受け、その厚さにわたって均一に変形しない。さらに、第１出力層２５０上では第２出力層２７０の拘束があり、第２出力層２７０の自由面２７０ｂ上では拘束がないために、出力層２５０及び２７０も剪断歪みを受け、それらの厚さにわたって均一に変形しない。このような不均一変形のこのｄ１５剪断成分により、ｄ３１またはｄ３３成分しか利用しない典型的なＰＴにおけるものよりも大きな電界が生成される。
【００９６】
図７は、本発明の圧電トランスの他の実施形態を示す立面図である。このＰＴ３の他の実施形態では、ＰＴ３の入力部は、複数の（Ｎ個の）薄い入力層を複数の（Ｎ＋１個の）電極間に備えている。ＰＴ３の入力部３Ａは、５つの電極間に結合した４つの薄いディスク形状の入力セラミック層を備え、各電極は、ＰＺＴ入力層とともに焼成した銀または銀−パラジウムメタライゼーションを含む。好ましくは、個々の入力層は、より厚い単一ＰＺＴ層よりも大きな容量を個々に有する薄い層であり、したがって、それらを通してより低い印加電界でより大量の電気を伝達することができる。複数の層を有する単一入力部の好ましい性能を助長するために、この入力部は、各層の交互分極及び端子接続部の交互配置を利用することを特徴とする。こうすると、入力部３Ａは、複数の電極全体にわたる電気的な入力に応答して、より厚い単一層が示す挙動を示すことができ、入力部３Ａの複数の層全体にわたって並列にこの電気的な入力を加えることができる。
【００９７】
より具体的には、入力部３Ａは、ＰＺＴなどの電気活性材料の４つの薄いディスク形状の層１０２、１０４、１０６及び１０８を備える。入力層１０２、１０４、１０６及び１０８は、交互に並んだ電極層１０１、１０３、１０５、１０７及び１０９に結合される。この結合は、好ましくは電気活性層のスタックを、銀または銀−パラジウムメタライゼーションを含む介在電極とともに焼成することによって行う。すなわち、入力層１０２は電極層１０１と１０３の間に結合され、入力層１０４は電極層１０３と１０５の間に結合される。同様に、入力層１０６は電極層１０５と１０７の間に結合され、入力層１０８は電極層１０７と１０９の間に結合される。電極１０１、１０３、１０５、１０７及び１０９は銀／パラジウムメタライゼーションを含むが、白金、パラジウム、銀、ニッケル、金その他の様々な導電金属及び酸化金属メタライゼーションならびにそれらの組合せを含む他のメタライゼーションを用いることができる。Ｃｉｂａ社製接着剤を用いて入力層１０２、１０４、１０６及び１０８に電極１０１、１０３、１０５、１０７及び１０９を結合する代わりに、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８の主要面上に、電極１０１、１０３、１０５、１０７及び１０９を電着または蒸着させることができる。また、電極１０１、１０３、１０５、１０７及び１０９は、Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ社製イミド接着剤などの強力な接着剤を用いて、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８間に結合した銅箔などの金属箔も含み得る。
【００９８】
より具体的には、第１入力電極１０１は、第１入力層１０２の第１主要面１０２ａ上で結合され、第２入力電極１０３は、第１入力層１０２の残りの主要面１０２ｂ上で結合される。第２入力層１０４は、主要面１０４ａ上で第２入力電極１０３に結合され、第３入力電極１０５は、第２入力層１０４の残りの主要面１０４ｂ上で結合される。第３入力層１０６は、主要面１０６ａ上で第３入力電極１０５に結合され、第４入力電極１０７は、第３入力層１０６の残りの主要面１０６ｂ上で結合される。第４入力層１０８は、主要面１０８ａ上で第４入力電極１０７に結合され、第５入力電極１０９は、第４入力層１０８の残りの主要面１０８ｂ上で結合される。好ましくは、電極１０３及び１０７は入力端子３６８に接続され、電極１０１、１０５及び１０９は共通接地に接続される。あるいは、電極１０１、１０３及び１０５を入力端子３６８に接続し、電極１０２及び１０４を共通接地に接続することもできる。
【００９９】
上述したように、好ましくは、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８は、交互に替わるように分極する。すなわち、矢印３９０及び３９２で示すように、入力層１０２及び１０６は互いに一方の方向に（主要面１０２ａと１０２ｂ及び１０６ａと１０６ｂに直交して厚さ方向に）分極する。また、矢印３９１及び３９３で示すように、入力層１０４及び１０８は互いに同じ方向に（主要面１０４ａと１０４ｂ及び１０８ａと１０８ｂに直交して厚さ方向に）分極するが、層１０２及び１０６と反対の厚さ方向とする。好ましくは、層１０２及び１０４は、それらの間にある電極１０３に向かって分極し、層１０６及び１０８は、それらの間にある電極１０７に向かって分極する。こうすると、入力層１０２及び１０４は互いに反対方向に分極されるが、実際には中央入力電極１０３に向かう同じ方向に分極される。また、入力層１０６及び１０８は互いに反対方向に分極されるが、実際には中央入力電極１０７に向かう同じ方向に分極される。入力部３Ａの層１０２、１０４、１０６及び１０８全体にわたる電界の印加を容易にするために、入力電極に入力端子を接続する。好ましくは、電極１０３及び１０７の両方に１つの入力端子３６８を接続して、これらの電極１０３及び１０７に電気信号を同時に印加する。好ましくは、残りの電極１０１、１０５及び１０９は接地接続する。
【０１００】
したがって、各入力層１０２、１０４、１０６及び１０８は厚さ方向に分極され、それによって、層１０２、１０４、１０６及び１０８全体に電圧が印加されると、層１０２、１０４、１０６及び１０８はそれぞれ個々に、半径方向に、すなわち、ｄ３１モードでそれぞれの分極方向３９０、３９１、３９２及び３９３に直交して変形する傾向がある。ただし、層１０２、１０４、１０６及び１０８はそれらの主要面に沿って互いに結合しているので、ボンドラインのところでは各層の変形が妨げられる。
【０１０１】
図８Ａ及び図８Ｂは、図７に示した圧電トランスを示す立面図で、入力層及び出力層における非対称応力を示す図である。電極１０３及び１０７に取り付けられた入力端子３６８に電気信号を印加すると、第１極性（すなわち、接地電極１０１、１０５及び１０９に関してプラスの極性）の電圧が、層１０２の電極１０３と１０１、層１０４の電極１０３と１０５、層１０６の電極１０７と１０５及び層１０８の電極１０７と１０９の両端間に同時に印加される。すべての層１０２、１０４、１０６及び１０８が、電気信号を印加する電極に向かって分極しているので、これらの層はすべて同じ方向に変形し、例えば、半径方向に延びる。逆に、電極１０３及び１０７に取り付けられた入力端子３６８に第２電気信号を印加すると、第２の反対の極性（すなわち、接地電極１０１、１０５及び１０９に関してマイナスの極性）の電圧が、層１０２の電極１０３と１０１、層１０４の電極１０３と１０５、層１０６の電極１０７と１０５及び層１０８の電極１０７と１０９の両端間に同時に印加される。すべての層１０２、１０４、１０６及び１０８が、電気信号を印加する電極に向かって分極しているので、これらの層はすべて同じ方向に変形し、例えば、半径方向に収縮する。したがって、入力端子３６８に振動する電圧を印加すると、入力部３Ａが循環的に半径方向に伸縮する。
【０１０２】
入力部３Ａは、少なくとも１つの出力層１４０を備える出力部３Ｂに機械的に結合している。このＰＴの出力層１４０は、電気活性材料、好ましくはＰＺＴからなる他のディスク形状の層を備え、その両側の２つの主要面１４０ａ及び１４０ｂ上に電極１４１及び１４２を有する。好ましくは、電極１４１及び１４２は、出力層１４０上に一緒に焼成される銀または銀−パラジウムメタライゼーションを含む。あるいは、電極１４１及び１４２は、電着、蒸着によって、あるいはＣｉｂａなどの接着剤または導電エポキシを用いて出力層１４０の面１４０ａ及び１４０ｂに銅またはニッケルなどの導電金属を結合することによって付着させることができる。出力電極１４１及び１４２をそれぞれ、出力端子３６７及び接地に接続する。あるいは、電極１４１及び１４２に対する出力端子３６７及び接地接続を逆にすることもできる。好ましくは、出力層１４０の厚さは、個々の入力層１０２、１０４、１０６及び１０８の厚さよりも比較的厚くし、より好ましくは、入力部３Ａ全体の厚さの約２〜４倍にする。
【０１０３】
矢印３９４で示すように、好ましくは出力層１４０を、その主要面１４０ａ及び１４０ｂに直交する厚さ方向に分極する。こうすると、端子３６７を介して出力電極１４１と１４２の両端間に第１極性の電圧を印加するときに、出力層１４０は、圧電効果により半径方向に収縮して変形する。端子３６７を介して出力電極１４１と１４２の両端間に反対の極性の第２電圧を印加すると、出力層１４０は、圧電効果により半径方向に伸張して変形する。したがって、出力端子３６７に交流電圧を印加すると、同様に出力層１４０が印加電圧の周波数で循環的に伸縮する。逆圧電効果により、出力層１４０の機械的な歪みに応答して電界も生成される。したがって、出力層１４０に第１の機械的な応力、すなわち圧縮をかけると、得られた（剪断、厚さ及び横方向／半径方向）歪みにより、出力層１４０が、電極１４１及び１４２の間に第１極性の電界を生成する。逆に、出力層１４０に別の機械的な応力、すなわち引張応力をかけると、得られた（剪断、厚さ及び横方向／半径方向）歪みにより、出力層１４０が第２の反対の極性の電界を生成する。したがって、出力層１４０を循環的に伸縮させると、出力層１４０の電極１４１と１４２の間に振動する電界が生成される。
【０１０４】
ＰＴ３の好ましい実施形態では、入力層１０２の中央電極１０１は、ボンドライン１７１のところで、好ましくはアルミナの薄い層を含む絶縁体層１５０の第１主要面１５０ａに、好ましくは一緒に焼成することによって結合される。絶縁体層１５０の他方の主要面１５０ｂ上には、出力層１４０が、好ましくは一緒に焼成することによって、電極１４１を介してボンドライン１７２のところで結合される。入力部３Ａ及び出力部３Ｂの変形に関連し、かつそれに連動した絶縁体層１５０の拘束及び変形は、図６の絶縁されたＰＴ２に関して上述したものに類似している。ＰＴ３の実施形態では、入力部３Ａは出力部３Ｂに直接結合し、入力部３Ａ及び出力部３Ｂの拘束及び変形は、図５Ａ〜図５ＣのＰＴ１に関して上述したものに類似している。
【０１０５】
したがって、入力部３Ａは、絶縁体層１５０または他の１つ（または複数）のボンドラインなどの界面結合層を介して出力部３Ｂに機械的に結合される。ＰＴ３の動作に本質的なのは、入力部３Ａ及び出力部３Ｂが互いに機械的に結合していることである。したがって、中央入力層１０２の中央面すなわち電極１０１及び層１０２は、界面結合層を介して、例えば、ボンドライン１７２を介して直接、あるいは、好ましくは絶縁体層１５０によって出力層の主要面１４０ａに機械的に結合する。好ましくは、ボンドライン１７２は、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８を一緒に焼成するのと同時に出力層１４０を一緒に焼成することによって形成する。あるいは、界面層及びボンドライン１７２は、Ｃｉｂａ社製接着剤などの強力な接着剤の層を含み得る。好ましくは、絶縁体層１５０は、入力層１０２及び出力層１４０の金属化した中央面間で一緒に焼成したアルミナの層を備える。絶縁体層１５０は、他のセラミックまたはＣｉｂａ社製接着剤などの強力な接着剤の層を含めて、他の絶縁体または誘電体材料も含み得る。入力部３Ａ及び出力部３Ｂとともに絶縁体層１５０を一緒に焼成する代わりに、Ｃｉｂａ社製接着剤などの強力な接着剤を用いて、入力層１０２及び出力層１４０の中央面１０２ａと１４０ａの間で絶縁体層１５０を結合することができる。こうすると、絶縁体層１５０は、一方の主要面１５０ａ上に入力層１０２の中央面１０２ａとのボンドライン１７１及び反対側の主要面１５０ｂ上に出力層１４０の中央面１４０ａとの第２ボンドライン１７２を有する。好ましくは、絶縁体層１５０は、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８を構築する材料よりもわずかに剛性が高いが、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８の変形に応答して変形するのに十分にコンプライアントである（すなわち、完全には剛体ではない）。ボンドライン１７１及び１７２における絶縁体層１５０との機械的な結合強度は、絶縁体層１５０の変形を少なくとも部分的に出力層１４０の中央面１４０ａに並進移動させるのに十分であることが好ましい。
【０１０６】
界面結合層１５０の主要な機能は、それが入力層１０２の結合面１０２ａの変形に対する機械的な拘束として作用することである。すなわち、入力部分３Ａに電界を印加すると、この入力部分の各層の結合面は、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８の反対側の「自由」面よりも伸縮が小さい。より具体的には、例えば、入力層１０２の両端間に電圧を印加すると、中央面１０２ａは、単独では変形しないボンドライン１７１または界面結合層１５０のところで拘束される。入力層１０２の反対側の面１０２ｂは、第１入力層１０２と同時に変形する、すなわち、伸張または収縮する隣接した入力層１０４に結合している。したがって、第１入力層１０２の両側の面１０２ａ及び１０２ｂには異なる応力がかかり、それによって、第１入力層１０２の中央面１０２ａは、入力層１０２の第２面１０２ｂよりも大きく変形することが妨げられる。同様に、第２入力層１０４は、第３入力層１０６に結合した面１０４ｂに対して第１入力層１０２に結合した面１０４ａ上での拘束が比較的大きいために、それぞれ歪む量が異なる両側の面１０４ａ及び１０４ｂを有する。さらに、第３入力層１０６は、第４入力層１０８に結合した面１０６ｂに対して第２入力層１０４に結合した面１０６ａ上での拘束が比較的大きいために、それぞれ歪む量が異なる両側の面１０６ａ及び１０６ｂを有する。最後に、第４入力層１０８は、第３入力層１０６に結合した面１０８ａ上では拘束され、反対側の「自由」面１０８ｂ上では拘束されないために、それぞれ歪む量が異なる両側の面１０８ａ及び１０８ｂを有する。したがって、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８はそれぞれ、界面結合層１５０からより離れている層１０２、１０４、１０６及び１０８の面１０２ｂ、１０４ｂ、１０６ｂ及び１０８ｂ上でより大きく変形することができ、この全体的な効果は、全体として同じ厚さの単一の層を含む入力部の変形に類似している。
【０１０７】
界面結合層１５０は、出力層１４０との強力な機械的結合としても作用し、入力層１０２の結合面１０２ａから出力層１４０の結合面１４０ａに機械的な動き（変形）を並進移動させることができる。ＰＴ３の入力部分３Ａと同様に、界面結合層１５０の変形に応答して出力層１４０の結合面１４０ａが変形すると、結合面１４０ａは、出力層１４０の反対側の「自由」面１４０ｂよりも大きく伸縮する。あるいは、出力部３ＢがＰＴ３の入力部３Ａと同様に変形するように、出力部分３Ｂを多層構造とすることができる。
【０１０８】
上述したように、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８の電極１０１、１０３、１０５、１０７及び１０９全体にわたって入力端子３６８に第１極性の電圧を印加すると、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８が半径方向に変形（伸張）する傾向がある。入力層１０８の外側の自由面１０８ｂは、典型的なｄ３１の変形下で変形するはずのところまで変形（伸張）することができる。しかし、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８の中央面１０２ａ及び内面１０２ｂ、１０４ａ−ｂ、１０６ａ−ｂ及び１０８ａは、それらのそれぞれのボンドラインのところで互いに拘束されるので、中央面１０２ａ及び内面１０２ｂ、１０４ａ−ｂ、１０６ａ−ｂ及び１０８ａは、拘束されていない場合に延びるところまで完全に延びることができない。同様に、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８の電極１０１、１０３、１０５、１０７及び１０９全体にわたって入力端子３６８に第２の反対の極性の電圧を印加すると、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８が半径方向に変形（収縮）する。入力層１０８の自由面１０８ｂは、典型的なｄ３１の変形下で変形するはずのところまで変形（収縮）することができる。しかし、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８の中央面１０２ａ及び内面１０２ｂ、１０４ａ−ｂ、１０６ａ−ｂ及び１０８ａは、それらのそれぞれのボンドラインまたは界面結合層のところで拘束されるので、中央面１０２ａ及び内面１０２ｂ、１０４ａ−ｂ、１０６ａ−ｂ及び１０８ａは、拘束されていない場合に変形するところまで完全に変形（収縮）することができない。
【０１０９】
入力層１０２の中央面１０２ａが伸縮すると、それとともに、ボンドライン１７１における入力層１０２の反対側の材料、すなわち、界面結合層１５０の相対的な剛性に応じてボンドライン／界面結合層１５０が伸縮する。好ましくは、界面層１５０は、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８を構築する材料よりもわずかに剛性が高いが、各入力層の変形に応答して変形するのに十分にコンプライアントである（すなわち、完全には剛体ではない）。ボンドライン／界面層における機械的な結合強度は、その動きを少なくとも部分的に出力層１４０の中央面１４０ａに並進移動させるのに十分であることが好ましい。
【０１１０】
再度、図８Ａ及び８Ｂを参照すると、入力層１０２の中央面１０２ａが伸縮すると、それとともにボンドライン１７１及び界面結合層１５０が伸縮する。界面結合層１５０は、その動きを少なくとも部分的に、それに取り付けられた出力層１４０の中央面１４０ａに第２ボンドライン１７２を介して並進移動させる。より具体的には、ボンドライン１７１及び界面結合層１５０が、それに取り付けられた入力層１０２の伸張に応答して延びるとき、界面結合層１５０は、第２ボンドライン１７２を介して出力層１４０の中央面１４０ａに引張応力を加える。この引張応力に応答して、出力層１４０が延びる。この引張応力は出力層１４０の中央面１４０ａのところにしか加えられず、反対側の「自由」面１４０ｂには直接引張応力が加えられないので、出力層１４０の「自由」面１４０ｂにおける応力は、中央面１４０ａから出力層１４０を通って並進移動する大きさにすぎない。すなわち、出力層１４０の「自由」面１４０ｂには同じ大きさの引張応力が加えられず、したがって、出力層１４０の中央面１４０ａほど大きくは歪みが生じたり、延びたりしない。この伸張により電極１４１と１４２の間に第１極性の電圧が生成される。
【０１１１】
同様に、ボンドライン１７１及び界面結合層１５０が、それに取り付けられた入力層１０２の収縮に応答して収縮するとき、界面結合層１５０は、出力層１４０の中央面１４０ａに圧縮応力を加える。この圧縮応力に応答して、出力層１４０が収縮する。この圧縮応力は出力層１４０の中央面１４０ａのところにしか加えられず、反対側の「自由」面１４０ｂには直接圧縮応力が加えられないので、出力層１４０の「自由」面１４０ｂにおける応力は、中央面１４０ａから出力層１４０を通って並進移動する大きさにすぎない。すなわち、出力層１４０の「自由」面１４０ｂには同じ大きさの圧縮応力が加えられず、したがって、出力層１４０の中央面１４０ａほど大きくは歪みが生じたり、収縮したりしない。
【０１１２】
したがって、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８の電極１０１、１０３、１０５、１０７及び１０９全体にわたって交流電圧を印加すると、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８が変形して、それに取り付けられた界面層６５がボンドライン１７１を介して変形し、界面結合層１５０により、ボンドライン１７２を介してＰＴ３の出力層１４０が変形する。界面結合層１５０によって課される拘束がない状態でこのように変形させると、単にｄ３１タイプの半径方向型の変形となろう。しかし、ボンドライン７１及び界面層６５によって課される拘束のために、入力層１０２、１０４、１０６及び１０８は剪断歪みを受け、それらのそれぞれの厚さにわたって均一に変形しない。さらに、出力層１４０の自由面１４０ｂ上では拘束がないために、１つ（または複数）の出力層１４０も剪断歪みを受け、その厚さにわたって均一に変形しない。このような不均一変形のこのｄ１５剪断成分により、ｄ３１またはｄ３３成分しか利用しない典型的なＰＴにおけるものよりも大きな電界が生成される。
【０１１３】
したがって、入力端子に第１極性の電圧を印加すると、入力部が変形（収縮）し、それによってボンドライン及びそれに取り付けられた絶縁体層が収縮して、この変形が、取り付けられた出力層に並進移動する。出力部が変形（収縮）すると、圧電効果により、出力端子４７に接続された出力電極間にｇ１５モードの第１極性の出力電圧が生成される。逆に、入力端子に第２の反対の極性の第２電圧を印加すると、入力部が変形（伸張）し、それによってボンドラインまたはそれに取り付けられた絶縁体層が伸張して、この変形が、取り付けられた出力層に並進移動する。出力層が変形（伸張）すると、圧電効果により、出力端子４７に接続された出力電極間に第２の反対の極性の出力電圧が生成される。したがって、入力部に交流電圧を印加すると、入力層が（ｄ１５モードで）変形して、それに取り付けられたボンドライン及び／または絶縁体層ならびに出力層が変形し、それによって、（ｇ１５モードで）交流出力電圧が生成される。
【０１１４】
図９は、本発明の圧電トランスの他の実施形態を示す立面図で、２つの多層入力部及び１つの中央出力部を有する図である。また、図１０は、本発明の圧電トランスの他の実施形態を示す立面図で、２つの出力部及び１つの中央多層入力部を有する図である。この図９及び図１０を参照すると、本発明によるＰＴの他の構造が可能であり、望ましいことが示されている。例えば、図４及び図５のように入力層及び出力層がそれぞれ１つだけのＰＴを設計することができる。あるいは、図６及び図７のように、入力及び出力部分の間に絶縁体層を有するＰＴを設計し得る。さらに、図７のような複数の入力層または図６のような複数の出力層を有するＰＴを設計し得る。図９のＰＴ４に、２つの多層入力部分４Ａと４Ｂの間に結合された１つの出力部分４Ｃを有するＰＴを示す。図９のＰＴ４では、１つの部分４Ｃが、２つの多層出力部４Ａと４Ｂの間に結合された入力層４Ｃとして働くように、各部分の機能を逆転し得る。図１０のＰＴ５に、２つの出力部５Ａと５Ｂの間に結合された１つの多層入力部５Ｃを有する他の実施形態のＰＴ５を示す。図１０のＰＴ５では、１つの部分５Ｃが、２つの入力層５Ａと５Ｂの間に結合された多層出力部５Ｃとして働くように、各部分の機能を逆転し得る。
【０１１５】
上述した説明は多くの具体性を含むが、これらを本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではなく、本発明の好ましい実施形態の例とみなすべきである。例えば以下に説明するように、多くの他の変形形態が可能である。
本発明の好ましい実施形態では、セラミック層がＰＺＴセラミック材料から好ましく構築されているが、他の電気活性材料をその代わりに用いることも可能である。
【０１１６】
このセラミック層は、圧電性、強誘電性その他の電気活性要素とし得る。
【０１１７】
入力部は、セラミック層を１つだけ含めることもできるし、多層構造のものとすることもできる。
【０１１８】
出力部は、セラミック層を１つだけ含めることもできるし、多層構造のものとすることもできる。
【０１１９】
多層入力部の入力層の分極方向は変更可能であり、中央電極に向かう必要はなく、中央電極から離れるようにすることもできるし、それらの組合せとすることもできる。
【０１２０】
多層出力部の各層の分極方向は、中央電極に向かう必要はなく、中央電極から離れるようにしてよい。
【０１２１】
多層出力部の中央電極を高電圧電極とする必要はなく、外側の電極が高電圧を担い、中央電極を参照接地とすることができる。
【０１２２】
入力部及び出力部は、共通接地電極を共有することもできるし、分離層を利用して別々の接地接続部を有することもできる。
【０１２３】
絶縁層はアルミナで構築する必要はなく、圧電効果が不活性のままである分極されない電気活性材料を含めて他の絶縁材料から構築することができるが、これらに限定されるものではない。
【０１２４】
したがって、本発明の範囲は例示した実施形態によって決定されるべきではなく、特許請求の範囲及びそれらの法的な均等物によって決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】従来の典型的なローゼン型圧電トランスを示す部分概略斜視図である。
【図２】従来のローゼン型圧電トランスの別の例を示す斜視図である。
【図３】従来の典型的な多層厚さモード振動型圧電トランスを示す透視図である。
【図４】本発明の圧電トランスの２層式実施形態を示す斜視図で、ディスク形状の構成を伴う図である。
【図５Ａ】図４に示した圧電トランスを示す立面図（その１）で、入力層及び出力層における非対称応力を示す図である。
【図５Ｂ】図４に示した圧電トランスを示す立面図（その２）で、入力層及び出力層における非対称応力を示す図である。
【図５Ｃ】図４に示した圧電トランスを示す立面図（その３）で、入力層及び出力層における非対称応力を示す図である。
【図６】本発明の圧電トランスの他の実施形態を示す立面図で、分離層及び複数の出力層を有する電気接続部を示す図である。
【図７】本発明の圧電トランスの他の実施形態を示す立面図である。
【図８Ａ】図７に示した圧電トランスを示す立面図（その１）で、入力層及び出力層における非対称応力を示す図である。
【図８Ｂ】図７に示した圧電トランスを示す立面図（その２）で、入力層及び出力層における非対称応力を示す図である。
【図９】本発明の圧電トランスの他の実施形態を示す立面図で、２つの多層入力部及び１つの中央出力部を有する図である。
【図１０】本発明の圧電トランスの他の実施形態を示す立面図で、２つの出力部及び１つの中央多層入力部を有する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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