(57)【要約】      （修正有）【課題】電圧を昇圧するためのトランスを提供する。【解決手段】トランス１０は、薄膜に垂直な垂直分極成分を有する1枚のみの圧電体薄膜１１０から成る、又は同一の厚さを持ち同一の圧電材料から成る複数枚の圧電体薄膜を、隣接する圧電体薄膜同士で垂直分極成分が互いに逆方向になるように複数枚積層して成る第１圧電体薄膜形成体１１と、第１圧電体薄膜形成体１１と直接又は振動伝達体（絶縁体層１３）を介して接触し、圧電体薄膜１１０と同じ厚さを持ち同じ圧電材料から成る圧電体薄膜１２０−１〜１２０−１０を、圧電体薄膜１１０よりも多い枚数だけ隣接する圧電体薄膜１２０−１〜１２０−１０同士で垂直分極成分が互いに逆方向になるように積層して成り、第１圧電体薄膜形成体１１に隣接する圧電体薄膜１２０−１と該圧電体薄膜に隣接する圧電体薄膜１１０同士で垂直分極成分が互いに逆方向である第２圧電体薄膜形成体１２とを備える。【選択図】図１
2018190800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 圧電材料から成る薄膜であって該薄膜に垂直な方向の分極ベクトルの成分である垂直分極成分を有する1枚のみの圧電体薄膜から成る、又は同一の厚さを持ち同一の圧電材料から成る複数枚の圧電体薄膜を、隣接する圧電体薄膜同士で垂直分極成分が互いに逆方向になるように複数枚積層して成る第１圧電体薄膜形成体と、
b) 少なくとも一部で前記第１圧電体薄膜形成体と直接又は振動伝達体を介して接触し、前記第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜と同じ厚さを持ち同じ圧電材料から成る圧電体薄膜を、前記第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜よりも多い枚数だけ該第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜に平行に、隣接する圧電体薄膜同士で垂直分極成分が互いに逆方向になるように積層して成り、前記第１圧電体薄膜形成体に隣接する圧電体薄膜と該圧電体薄膜に隣接する該前記第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜同士で垂直分極成分が互いに逆方向である第２圧電体薄膜形成体と、
c) 前記第１圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端に設けられた1対の第１電極と、
d) 前記第２圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端に設けられた1対の第２電極と
を備えることを特徴とするトランス。
【請求項２】
a) 圧電材料から成る薄膜であって該薄膜に平行な方向の分極ベクトルの成分である平行分極成分を有する1枚のみの圧電体薄膜から成る、又は同一の厚さを持ち同一の圧電材料から成る複数枚の圧電体薄膜を、隣接する圧電体薄膜同士で平行分極成分が互いに逆方向になるように複数枚積層して成る第１圧電体薄膜形成体と、
b) 少なくとも一部で前記第１圧電体薄膜形成体と直接又は振動伝達体を介して接触し、前記第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜と同じ厚さを持ち同じ圧電材料から成る圧電体薄膜を、前記第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜よりも多い枚数だけ該第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜に平行に、隣接する圧電体薄膜同士で平行分極成分が互いに逆方向になるように積層して成り、前記第１圧電体薄膜形成体に隣接する圧電体薄膜と該圧電体薄膜に隣接する該前記第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜同士で平行分極成分が互いに逆方向である第２圧電体薄膜形成体と、
c) 前記第１圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端に設けられた1対の第１電極と、
d) 前記第２圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端に設けられた1対の第２電極と
を備えることを特徴とするトランス。
【請求項３】
a) 同一の厚さを持ち同一の圧電材料から成る複数枚の圧電体薄膜を、該圧電体薄膜に垂直な方向の分極ベクトルの成分である垂直分極成分が、隣接する圧電体薄膜同士で互いに逆方向になるように複数枚積層して成る第１圧電体薄膜形成体と、
b) 少なくとも一部で前記第１圧電体薄膜形成体と直接又は振動伝達体を介して接触し、該第１圧電体薄膜形成体と同じ厚さを持つ圧電体薄膜形成体であって、該第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜と同じ圧電材料から成り垂直分極成分を有する1枚の圧電体薄膜から成る第２圧電体薄膜形成体と、
c) 前記第１圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端及び該第１圧電体薄膜形成体において隣接する圧電体薄膜同士の境界に設けられた第１電極と、
d) 前記第２圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端に設けられた1対の第２電極と
を備えることを特徴とするトランス。
【請求項４】
a) 同一の厚さを持ち同一の圧電材料から成る複数枚の圧電体薄膜を、該圧電体薄膜に平行な方向の分極ベクトルの成分である垂直分極成分が、隣接する圧電体薄膜同士で互いに逆方向になるように複数枚積層して成る第１圧電体薄膜形成体と、
b) 少なくとも一部で前記第１圧電体薄膜形成体と直接又は振動伝達体を介して接触し、該第１圧電体薄膜形成体と同じ厚さを持つ圧電体薄膜形成体であって、該第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜と同じ圧電材料から成り平行分極成分を有する1枚の圧電体薄膜から成る第２圧電体薄膜形成体と、
c) 前記第１圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端及び該第１圧電体薄膜形成体において隣接する圧電体薄膜同士の境界に設けられた第１電極と、
d) 前記第２圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端に設けられた1対の第２電極と
を備えることを特徴とするトランス。
【請求項５】
前記第１圧電体薄膜形成体及び前記第２圧電体薄膜形成体における圧電体薄膜が、該圧電体薄膜と同じ圧電材料から成り分極が薄膜に平行である圧電体薄膜よりも大きい電気機械結合係数k152を有するように、分極が該薄膜の法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項２又は４に記載のトランス。
【請求項６】
前記振動伝達体が絶縁材料から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のトランス。
【請求項７】
a) 電波を受信する電波受信部と、受信した電波の交流電気信号を出力する交流電気信号出力部を有するアンテナと、
b) 前記交流電気信号出力部が前記第１電極に接続された、請求項１〜６のいずれかに記載のトランスと
を備えることを特徴とするレクテナ。
【請求項８】
さらに、前記トランスの第２電極に接続された、交流電力を直流電力に変換する整流回路を備えることを特徴とする請求項７に記載のレクテナ。
【請求項９】
請求項２に記載のトランスにおける第１圧電体薄膜形成体若しくは第２圧電体薄膜形成体、又は請求項４に記載のトランスにおける第１圧電体薄膜形成体を製造する方法であって、
Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Tm, Ybから選択される1又は2以上の元素であるR及びAlを有するターゲットをスパッタすることにより、R及びAlを有するスパッタ粒子を形成し、基板を冷却しつつ該基板の表面に、前記スパッタ粒子を該表面の法線に対して傾斜した角度で入射させて該表面に堆積させることにより、0<x<1であるAl1-xRxNから成る圧電体薄膜を所定の厚さまで成膜する単位成膜工程と、
前記スパッタ粒子が前記基板の表面に入射する軌跡の該表面への射影が180°回転するように前記ターゲットと該基板の相対的な位置を変更する位置変更工程と
をそれぞれ2回以上、交互に繰り返すことを特徴とする圧電体薄膜形成体製造方法。
【請求項１０】
請求項２に記載のトランスにおける第１圧電体薄膜形成体若しくは第２圧電体薄膜形成体、又は請求項４に記載のトランスにおける第１圧電体薄膜形成体を製造する方法であって、
Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Tm, Ybから選択される1又は2以上の元素であるR及びAlを有するターゲットをスパッタすることにより、R及びAlを有するスパッタ粒子を形成し、基板を冷却しつつ該基板の表面に、窒素イオンを含むイオンビームを該表面の法線に対して傾斜した角度で照射しつつ、前記スパッタ粒子を堆積させることにより0<x<1であるAl1-xRxNから成る圧電体薄膜を所定の厚さまで成膜する単位成膜工程と、
前記イオンビームの前記基板の表面への射影が180°回転するように該イオンビームと該基板の相対的な位置を変更する位置変更工程と
それぞれ2回以上、交互に繰り返すことを特徴とする圧電体薄膜形成体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧の大きさを変換するトランス、及び該トランスを用いた、電波を電力に変換するレクテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー問題やインフラの老朽化等の社会問題に対応するために、屋内外に多数の様々なセンサを設置し、それらのセンサで取得される大量のデータを収集して解析するという、センサを用いたビッグデータ技術が検討されている。個々のセンサを動作させるためにはそれらセンサに電力を供給する必要があるが、このように多数のセンサを用いる場合、個々のセンサを管理するには大きな手間を要するため、管理をほとんど行うことなく電力の供給を行うことが重要となる。例えば、商用電源から電力をセンサに供給する場合には、センサを設置する箇所毎に電力会社と契約したり、センサの設置箇所での既存の商用電源を使用するために設置箇所の所有者の許可を得る等の手間を要する。一方、センサの電源として太陽電池を用いると、管理の手間はさほど要しないが、曇天時や夜間には必要な電力を得ることができない。
【０００３】
それに対して、屋内外を伝播する電波を電力に変換するレクテナは、商用電源のような管理の手間を要しないうえに、曇天時や夜間にも安定して電力を供給することができるという利点を有する。レクテナにより得ることができる電力は小さいものの、一般にセンサを動作させるためには電圧が所定のしきい値以上でありさえすれば電流は微弱であってもよいため、センサの電源としては使用することができる。その場合、レクテナには、電圧をしきい値電圧以上とするために、電波を変換して得た交流電力の電圧を昇圧するトランスを設ける（例えば特許文献１参照）。センサで使用する電力が直流電力である場合には、トランスの後段に整流回路を設ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2015-092802号公報
【特許文献２】特開2006-083010号公報
【特許文献３】特開2012-116736号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のトランスは一般的なセンサよりも大きいため、従来のトランスを有するレクテナをセンサの電源として用いると、電源を含んだセンサの設置空間を大きく取る必要があり、センサの設置箇所が制約される。そのため、トランスを小型化することが望まれる。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、センサ用の電源において電圧を昇圧するために好適に用いることができるトランス、及び該トランスを用いたレクテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために成された本発明に係るトランスの第１の態様は、
a) 圧電材料から成る薄膜であって該薄膜に垂直な方向の分極ベクトルの成分である垂直分極成分を有する1枚のみの圧電体薄膜から成る、又は同一の厚さを持ち同一の圧電材料から成る複数枚の圧電体薄膜を、隣接する圧電体薄膜同士で垂直分極成分が互いに逆方向になるように複数枚積層して成る第１圧電体薄膜形成体と、
b) 少なくとも一部で前記第１圧電体薄膜形成体と直接又は振動伝達体を介して接触し、前記第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜と同じ厚さを持ち同じ圧電材料から成る圧電体薄膜を、前記第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜よりも多い枚数だけ該第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜に平行に、隣接する圧電体薄膜同士で垂直分極成分が互いに逆方向になるように積層して成り、前記第１圧電体薄膜形成体に隣接する圧電体薄膜と該圧電体薄膜に隣接する該前記第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜同士で垂直分極成分が互いに逆方向である第２圧電体薄膜形成体と、
c) 前記第１圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端に設けられた1対の第１電極と、
d) 前記第２圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端に設けられた1対の第２電極と
を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るトランスの第２の態様は、
a) 圧電材料から成る薄膜であって該薄膜に平行な方向の分極ベクトルの成分である平行分極成分を有する1枚のみの圧電体薄膜から成る、又は同一の厚さを持ち同一の圧電材料から成る複数枚の圧電体薄膜を、隣接する圧電体薄膜同士で平行分極成分が互いに逆方向になるように複数枚積層して成る第１圧電体薄膜形成体と、
b) 少なくとも一部で前記第１圧電体薄膜形成体と直接又は振動伝達体を介して接触し、前記第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜と同じ厚さを持ち同じ圧電材料から成る圧電体薄膜を、前記第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜よりも多い枚数だけ該第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜に平行に、隣接する圧電体薄膜同士で平行分極成分が互いに逆方向になるように積層して成り、前記第１圧電体薄膜形成体に隣接する圧電体薄膜と該圧電体薄膜に隣接する該前記第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜同士で平行分極成分が互いに逆方向である第２圧電体薄膜形成体と、
c) 前記第１圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端に設けられた1対の第１電極と、
d) 前記第２圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端に設けられた1対の第２電極と
を備えることを特徴とする。
【０００９】
第１及び第２の態様のトランスでは、圧電体薄膜の材料及び厚さにより定まる周波数を有する交流電圧を1対の第１電極の間に印加すると、第１圧電体薄膜形成体内には、圧電体薄膜の厚さを半波長とする振動が励起される。第１の態様では圧電体薄膜がそれに垂直な方向の分極ベクトルの成分（垂直分極成分）を有するため、圧電体薄膜は該圧電体薄膜に垂直な方向に振動する。一方、第２の態様では圧電体薄膜がそれに平行な方向の分極ベクトルの成分（平行分極成分）を有するため、圧電体薄膜は該圧電体薄膜に平行な方向に振動する。この振動は第１圧電体薄膜形成体から、直接又は振動伝達体を介して、該第１圧電体薄膜形成体の少なくとも一部で接触する第２圧電体薄膜形成体に伝播する。
【００１０】
振動が伝播した第２圧電体薄膜形成体は、第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜と同じ厚さであって同じ圧電材料から成る圧電体薄膜を有し、且つ、第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜の分極と同じ方向の分極の成分（第１の態様では垂直分極成分、第２の態様では平行分極成分）を有するため、第２圧電体薄膜形成体内にも第１圧電体薄膜形成体の振動周波数と同じ周波数であって同じ方向の振動が生じる。この第２圧電体薄膜形成体の振動により、第２電極間に、該振動の周波数に対応する周波数を有する交流電圧が生じる。第２電極間の交流電圧の大きさは、第１電極間に印加した交流電圧に、第２圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜の枚数を第１体圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜の枚数で除した係数を乗じた値となる。第２圧電体薄膜の枚数は第１圧電体薄膜の枚数よりも多いため、第２電極間の交流電圧の大きさは、第１電極間に印加した交流電圧よりも大きくなる。
【００１１】
このように、本発明に係る第１及び第２の態様のトランスは、第１電極間に印加した交流電圧を昇圧して第２電極間に取り出す昇圧トランスとして機能する。その反対に、第２圧電体薄膜形成体の共振周波数と同じ周波数の交流電圧を第２電極間に印加した場合には、第１電極間に、第２電極間の電圧よりも小さい交流電圧が取り出され、本発明に係る第１及び第２の態様のトランスは降圧トランスとして機能する。
【００１２】
本発明に係るトランスの第３の態様は、
a) 同一の厚さを持ち同一の圧電材料から成る複数枚の圧電体薄膜を、該圧電体薄膜に垂直な方向の分極ベクトルの成分である垂直分極成分が、隣接する圧電体薄膜同士で互いに逆方向になるように複数枚積層して成る第１圧電体薄膜形成体と、
b) 少なくとも一部で前記第１圧電体薄膜形成体と直接又は振動伝達体を介して接触し、該第１圧電体薄膜形成体と同じ厚さを持つ圧電体薄膜形成体であって、該第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜と同じ圧電材料から成り垂直分極成分を有する1枚の圧電体薄膜から成る第２圧電体薄膜形成体と、
c) 前記第１圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端及び該第１圧電体薄膜形成体において隣接する圧電体薄膜同士の境界に設けられた第１電極と、
d) 前記第２圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端に設けられた1対の第２電極と
を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るトランスの第４の態様は、
a) 同一の厚さを持ち同一の圧電材料から成る複数枚の圧電体薄膜を、該圧電体薄膜に平行な方向の分極ベクトルの成分である垂直分極成分が、隣接する圧電体薄膜同士で互いに逆方向になるように複数枚積層して成る第１圧電体薄膜形成体と、
b) 少なくとも一部で前記第１圧電体薄膜形成体と直接又は振動伝達体を介して接触し、該第１圧電体薄膜形成体と同じ厚さを持つ圧電体薄膜形成体であって、該第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜と同じ圧電材料から成り平行分極成分を有する1枚の圧電体薄膜から成る第２圧電体薄膜形成体と、
c) 前記第１圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端及び該第１圧電体薄膜形成体において隣接する圧電体薄膜同士の境界に設けられた第１電極と、
d) 前記第２圧電体薄膜形成体の厚さ方向の両端に設けられた1対の第２電極と
を備えることを特徴とする。
【００１４】
第３及び第４の態様のトランスでは、第１電極が上記のように設けられていることにより、第１圧電体薄膜形成体の各圧電体薄膜では厚さ方向の両端に1つずつ第１電極が存在することとなる。このような第１電極を用いて、第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜の材料及び厚さにより定まる周波数を有する交流電圧を、各圧電体薄膜の厚さ方向の両端に印加する。ここで、各第１電極に付与する電位を第１圧電体薄膜形成体の厚さ方向に向かって交互に逆極性とすることにより、圧電体薄膜に印加される電圧の極性は隣接する圧電体薄膜同士で互いに逆極性となる。そして、垂直分極成分（第３の態様）又は平行分極成分（第４の態様）もまた、隣接する圧電体薄膜同士で互いに逆方向となっていることから、この交流電圧の印加によって、各圧電体薄膜は同じ方向に振動する。その結果、第１圧電体薄膜形成体全体には、該第１圧電体薄膜形成体全体の厚さを半波長とする振動が生成され、該振動が第２圧電体薄膜形成体に伝播する。
【００１５】
振動が伝播した第２圧電体薄膜形成体は、第１圧電体薄膜形成体（の全体）と同じ厚さであって同じ圧電材料から成る圧電体薄膜を有し、且つ、第１圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜の分極と同じ方向の分極の成分（第３の態様では垂直分極成分、第４の態様では平行分極成分）を有するため、第２圧電体薄膜形成体内にも第１圧電体薄膜形成体の振動周波数と同じ周波数であって同じ方向の振動が生じる。この第２圧電体薄膜形成体の振動により、第２電極間に、該振動の周波数に対応する周波数を有する交流電圧が生じる。ここで、第２電極間の圧電体薄膜の厚さが、第１圧電体薄膜形成体において互いに逆極性である2個の第１電極に挟まれる1枚の圧電体薄膜の厚さよりも大きいため、第２電極間に発生する交流電圧の大きさは、第１圧電体薄膜形成体における1枚の圧電体薄膜間に印加される交流電圧よりも大きくなる。
【００１６】
このように、本発明に係る第３及び第４の態様のトランスは、第１電極間に印加した交流電圧を昇圧して第２電極間に取り出す昇圧トランスとして機能する。その反対に、第２圧電体薄膜形成体の共振周波数と同じ周波数の交流電圧を第２電極間に印加した場合には、第１圧電体薄膜形成体における個々の圧電体薄膜を挟む2枚の第１電極間に、第２電極間の電圧よりも小さい交流電圧が取り出され、本発明に係る第３及び第４の態様のトランスは降圧トランスとして機能する。
【００１７】
第１又は第３の態様において、圧電体薄膜が有する垂直分極成分は、分極ベクトルが圧電体薄膜に垂直である場合のみならず、分極ベクトルが圧電体薄膜に対して傾斜している場合にも存在する。すなわち、分極ベクトルが圧電体薄膜に平行でなければ、垂直分極成分は存在する。また、第２又は第４の態様において、圧電体薄膜が有する平行分極成分は、分極ベクトルが圧電体薄膜に平行である場合のみならず、分極ベクトルが圧電体薄膜に対して傾斜している場合にも存在する。すなわち、分極ベクトルが圧電体薄膜に垂直でなければ、平行分極成分は存在する。
【００１８】
圧電体薄膜の厚さは、電圧を変換する交流電圧の周波数と圧電体薄膜の材料に基づいて定める。圧電体薄膜を構成する圧電材料は、圧電体薄膜内を伝播する音波の音速を左右する。第１又は第２の態様では、当該音速をv、各圧電体薄膜の厚さをd、第１及び第２圧電体薄膜形成体内の振動の周波数、すなわち交流電圧の周波数をfとすると、第１及び第２圧電体薄膜形成体内の振動の波長λはλ=2dとなり、v=λf=2dfとなる。従って、各圧電体薄膜の厚さdは、d=v/(2f)とすればよい。一方、第３又は第４の態様では、音速をv、第１及び第２圧電体薄膜形成体の厚さをD、交流電圧の周波数をfとすると、D=v/(2f)とすればよい。例えば、第１又は第２の態様において、周波数fが1GHzであって、圧電体薄膜内の音速が10000m/secであれば、1枚当たりの圧電体薄膜の厚さdは5μmとなる。この場合において、例えば電圧を10倍に昇圧する場合には、圧電体薄膜は最少で、第１圧電体薄膜形成体に1枚、第２圧電体薄膜形成体に10枚、合計11枚設ければよいため、トランス全体の厚さは最小で55μmとなる。なお、圧電体薄膜内の音速は、縦波と横波で相違するため、留意する必要がある。
【００１９】
本発明に係る第１〜第４のトランスはいずれも、圧電体薄膜の積層体から構成されるため、寸法を小さくすることができる。
【００２０】
第１〜第４の態様において、前記振動伝達体は絶縁材料から成るものであることが望ましい。これにより、第１電極と第２電極を振動伝達体で絶縁することができる。
【００２１】
なお、絶縁材料から成る振動伝達体を設けなくとも、例えば第１圧電体薄膜形成体と第２圧電体薄膜形成体を部分的に面接触させ、面接触していない部分に第１電極及び第２電極を取り付けることにより、第１電極と第２電極が絶縁した状態とすることができる。その場合には、第１圧電体薄膜形成体と第２圧電体薄膜形成体を、振動伝達体を介することなく直接、面接触させることができる。
【００２２】
第１〜第４の態様のトランスにおいて、第１及び第２圧電体薄膜形成体を構成する圧電体薄膜の圧電材料には以下のようなものを用いることができる。圧電体薄膜では、スパッタ法等の通常の方法で作製すると薄膜に垂直な分極が形成されることが多いため、第１の態様における垂直分極成分を有する圧電体薄膜の圧電材料には種々のものを用いることができ、例えば、通常の方法で作製されたZnO（酸化亜鉛）やAlN（窒化アルミニウム）等のウルツ鉱構造を有するものを好適に用いることができる。
【００２３】
一方、第２又は第４の態様における平行分極成分を有する圧電体薄膜は、特定の圧電材料を用いて特定の方法で作製することにより得ることができる。例えば、特許文献２に記載のように、基板の表面に、ウルツ鉱構造を有する圧電材料のプラズマの密度勾配や温度勾配を形成しつつ圧電材料を堆積させることにより、薄膜に平行な分極を有する圧電体薄膜を作製することができる。ここで、密度勾配や温度勾配の方向を180°ずつ変えながら繰り返し圧電材料を堆積させてゆくことにより、第１及び第２圧電体薄膜形成体を作製することができる。あるいは、特許文献３に記載のように、基板の表面に、該表面に対して傾斜した（該表面に垂直ではない）イオンビームを照射しつつ堆積させることにより、薄膜に対して傾斜した圧電体薄膜を作製することができる。ここで、基板の表面へのイオンビームの射影の方向を180°ずつ変えながら繰り返し圧電材料を堆積させてゆくことにより、平行分極成分が互いに逆方向になるように積層した圧電体薄膜形成体が得られる。このような圧電体薄膜形成体は、第２の態様における第１及び第２圧電体薄膜形成体として用いることができる。この方法により圧電体薄膜を作製することができる圧電材料として、ウルツ鉱構造を有するものや、Ga1-xRxN（RはSc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Tm, Ybから選択される1又は2以上の元素、0<x<1）、Al1-xRxN等が挙げられる。
【００２４】
第２又は第４の態様のトランスにおいて、前記第１圧電体薄膜形成体及び前記第２圧電体薄膜形成体における圧電体薄膜が、該圧電体薄膜と同じ圧電材料から成り分極が薄膜に平行である圧電体薄膜よりも大きい電気機械結合係数k152を有するように、分極が該薄膜の法線に対して傾斜していることが望ましい。これにより、分極が薄膜に平行である圧電体薄膜よりも効率よく横波を第１圧電体薄膜形成体及び前記第２圧電体薄膜形成体内に生成することができ、入力電圧が小さい場合にも、より確実に電圧を昇圧することができる。
【００２５】
本発明に係るレクテナは、
a) 電波を受信する電波受信部と、受信した電波の交流電気信号を出力する交流電気信号出力部を有するアンテナと、
b) 前記交流電気信号出力部が前記第１電極に接続された、前記第１〜第４の態様のいずれか１つのトランスと
を備えることを特徴とする。
【００２６】
本発明に係るレクテナでは、アンテナの入力部で受信された電波の交流電気信号が出力部からトランスの第１電極に入力される。そして、トランスにおいて、前述のように交流電気信号の電圧から昇圧された交流電力が第２電極から取り出される。
【００２７】
本発明に係るレクテナによれば、寸法を小さくすることが可能な本発明に係るトランスを用いるため、レクテナの寸法も小さくすることができる。そのため、本発明に係るレクテナはセンサ用の電源として好適に用いることができる。
【００２８】
また、本発明に係るレクテナでは、圧電体薄膜の厚さ及び圧電材料により定まる振動周波数と同じ特定の周波数の電波がアンテナに受信されたときにのみ電力が得られる。従って、当該特定の周波数の電波を送信することで、レクテナに接続されたセンサなどの機器を起動させ、当該特定の周波数の電波を停止することで当該機器を停止させる、という方法で当該機器を使用することができる。
【００２９】
本発明に係るレクテナはさらに、前記トランスの第２電極に接続された、交流電力を直流電力に変換する整流回路を備えることができる。これにより、トランスにおいて電圧が昇圧された交流電力を変換した直流電力が得られる。
【００３０】
第２の態様のトランスにおける第１圧電体薄膜形成体若しくは第２圧電体薄膜形成体、又は第４の態様のトランスにおける第１圧電体薄膜形成体は、
Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Tm, Ybから選択される1又は2以上の元素であるR及びAlを有するターゲットをスパッタすることにより、R及びAlを有するスパッタ粒子を形成し、基板を冷却しつつ該基板の表面に、前記スパッタ粒子を該表面の法線に対して傾斜した角度で入射させて該表面に堆積させることにより、0<x<1であるAl1-xRxNから成る圧電体薄膜を所定の厚さまで成膜する単位成膜工程と、
前記スパッタ粒子が前記基板の表面に入射する軌跡の該表面への射影が180°回転するように前記ターゲットと該基板の相対的な位置を変更する位置変更工程と
をそれぞれ2回以上、交互に繰り返すことにより好適に製造することができる。
【００３１】
あるいは、第２の態様のトランスにおける第１圧電体薄膜形成体若しくは第２圧電体薄膜形成体、又は第４の態様のトランスにおける第１圧電体薄膜形成体は、
Sc, Y, La, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Tm, Ybから選択される1又は2以上の元素であるR及びAlを有するターゲットをスパッタすることにより、R及びAlを有するスパッタ粒子を形成し、基板を冷却しつつ該基板の表面に、窒素イオンを含むイオンビームを該表面の法線に対して傾斜した角度で照射しつつ、前記スパッタ粒子を堆積させることにより0<x<1であるAl1-xRxNから成る圧電体薄膜を所定の厚さまで成膜する単位成膜工程と、
前記イオンビームの前記基板の表面への射影が180°回転するように該イオンビームと該基板の相対的な位置を変更する位置変更工程と
それぞれ2回以上、交互に繰り返すことによっても好適に製造することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明により、センサ用の電源において電圧を昇圧するために好適に用いることができるトランス、及び該トランスを用いたレクテナが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るトランス及びレクテナの一実施形態を示す概略図。
【図２】本実施形態のトランス及びレクテナの動作を示す概略図。
【図３】本実施形態のトランスの変形例であって、圧電体薄膜の分極の方向が異なる例を示す概略図。
【図４】本実施形態のトランスの変形例であって、第１圧電体薄膜形成体の第１圧電体薄膜及び第２圧電体薄膜形成体の第２圧電体薄膜の枚数が異なる例を示す概略図。
【図５】本実施形態のトランスの変形例(a)及び該トランスを用いたレクテナ(b)を示す概略図。
【図６】本実施形態のトランスとその支持部を示す概略図。
【図７】本実施形態のトランスにおける圧電体薄膜形成体を製造するための装置の一例を示す概略図。
【図８】本実施形態のトランスにおける圧電体薄膜形成体の製造方法を示す概略図。
【図９】本実施形態のトランスにおける圧電体薄膜形成体を製造するための装置の変形例を示す概略図。
【図１０】変形例の装置を用いて本実施形態のトランスにおける圧電体薄膜形成体を製造する方法を示す概略図。
【図１１】本実施形態のトランスにおける圧電体薄膜形成体の一例を示す顕微鏡写真。
【図１２】Al1-xScxNから成る圧電体薄膜における法線に対するc軸の角度と電気機械結合係数k152の関係を示すグラフ。
【図１３】本実施形態のトランスにおける圧電体薄膜形成体につき、横波変換損失の周波数による相違の測定値及び計算値を、圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜が(a)1枚の場合、及び(b)12枚の場合について求めた結果を示すグラフ。
【図１４】本実施形態のトランスについて、第１圧電体薄膜形成体側のインピーダンス及び第２圧電体薄膜形成体側のインピーダンスの周波数による相違をシミュレーションで求めた結果を示すグラフ。
【図１５】本実施形態のトランスについて、挿入損失の周波数による相違をシミュレーションで求めた結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１〜図１５を用いて、本発明に係るトランス及びレクテナの実施形態を説明する。
【００３５】
(1) 本実施形態のトランス及びレクテナの構成
図１(a)は第１の態様のトランスの一実施形態であるトランス１０につき、構成を概略的に示したものである。図１(b)はトランス１０を有するレクテナ２０の構成を概略的に示したものである。
【００３６】
トランス１０は、第１圧電体薄膜形成体１１と、第２圧電体薄膜形成体１２と、絶縁体層１３と、第１電極１４と、第２電極１５を有する。
【００３７】
第１圧電体薄膜形成体１１は、厚さdを有する1枚のみの圧電体薄膜から成る。この圧電体薄膜を第１圧電体薄膜１１０と呼ぶ。第１圧電体薄膜１１０の分極Ｐは、該第１圧電体薄膜１１０に垂直な方向を向いている。第２圧電体薄膜形成体１２は、第１圧電体薄膜１１０と同じ圧電材料及び厚さdを有し第１圧電体薄膜１１０と平行に設けられた10枚の第２圧電体薄膜１２０−１〜１２０−１０が、第１圧電体薄膜１１０の上に積層した構成を有する。第２圧電体薄膜１２０−１〜１２０−１０のうち第１圧電体薄膜１１０に最近接の第２圧電体薄膜１２０−１は、絶縁体層１３を介して第１圧電体薄膜１１０と面接触している。第２圧電体薄膜１２０−１の分極Ｐは、該第２圧電体薄膜１２０−１に垂直であって、第１圧電体薄膜１１０の分極Ｐと逆方向を向いている。また、第２圧電体薄膜１２０−１〜１２０−１０の分極Ｐはそれぞれ、隣接する第２圧電体薄膜の分極Ｐと逆方向を向いている。以上のように、第１圧電体薄膜１１０及び第２圧電体薄膜１２０−１〜１２０−１０の分極Ｐはいずれもそれら圧電体薄膜に垂直であり、前述の垂直分極成分を有する。
【００３８】
絶縁体層１３は、第１圧電体薄膜形成体１１と第２圧電体薄膜形成体１２の間、すなわち第１圧電体薄膜１１０と第２圧電体薄膜１２０−１の間に設けられている。絶縁体層１３は、後述のように第１圧電体薄膜形成体１１の両表面間に所定の電圧が印加された際に該第１圧電体薄膜形成体１１に生じる振動が第２圧電体薄膜形成体１２に伝播する程度に十分に薄い。従って、絶縁体層１３は前記振動伝達体に該当する。また、絶縁体層１３は、第１圧電体薄膜形成体１１と第２圧電体薄膜形成体１２の間で電流のリークが生じない厚さに形成されている。
【００３９】
第１電極１４は、第１圧電体薄膜形成体１１の絶縁体層１３側の表面に設けられた第１の２電極１４２と、該表面と反対側の第１圧電体薄膜形成体１１の表面に設けられた第１の１電極１４１から成る1対の電極である。第２電極１５は、第２圧電体薄膜形成体１２の絶縁体層１３側の表面に設けられた第２の１電極１５１と、該表面の反対側の第２圧電体薄膜形成体１２の表面に設けられた第２の２電極１５２から成る1対の電極である。各電極には、第１圧電体薄膜形成体１１又は第２圧電体薄膜形成体１２の側方に引き出された端子が接続されている。
【００４０】
なお、図１(a)ではトランス１０の構成を分かりやすく示すために、実際よりも、横方向に対する縦方向（各圧電体薄膜の厚さ方向）の大きさの比を大きくして描いている。
【００４１】
レクテナ２０は、アンテナ２１と、トランス１０と、整流回路２２を有する。なお、図１(b)ではレクテナ２０の構成を分かりやすく示すために、アンテナ２１、トランス１０及び整流回路２２の実際の大きさの相違とは異なり、トランス１０を最も大きく描いている。実際には、これら3つの構成要素のうち、トランス１０が最も小さい。
【００４２】
アンテナ２１は、電波を受信する入力部と、入力部から入力した電波の交流電気信号を出力する出力部を有し、出力部はトランス１０の第１の２電極１４２に接続されている。第１の１電極１４１は接地されている。
【００４３】
整流回路２２は、入力部２２１から入力される交流電力を整流して直流電力に変換して出力部２２２から出力する回路である。整流回路２２の入力部２２１は、トランス１０の第２の１電極１５１及び第２の２電極１５２に接続されている。整流回路２２の出力部２２２には、センサ等の負荷を接続する。整流回路は種々のものが知られており、図１ではその一例を示したが、本実施形態においても既知の種々の整流回路をそのまま用いることができる。また、レクテナを用いて交流電力を得る場合には、整流回路２２は省略する。
【００４４】
(2) 本実施形態のトランス及びレクテナの動作
図２を用いて、本実施形態のトランス１０及びレクテナ２０の動作を説明する。本実施形態のトランス１０は上記第１の態様のトランスであり、第１の１電極１４１と第１の２電極１４２の間に、後述の共振周波数と同じ周波数を有する交流の入力電圧Vinが印加されると、第１圧電体薄膜１１０が該薄膜に垂直方向の分極Ｐを有することにより、第１圧電体薄膜１１０には該共振周波数を有する縦波の基本モードの振動が生じる。この縦波の波長は第１圧電体薄膜１１０の厚さdの2倍であり、言い換えれば、第１圧電体薄膜１１０の厚さ方向に半波長分の縦波が生成されている。図２(a)に、この縦波を模式的に太い波線で示す。共振周波数fは、第１圧電体薄膜１１０の厚さd及び該第１圧電体薄膜１１０内の音速vとの間でv=λf=2dfの関係を有する。
【００４５】
第１圧電体薄膜１１０の縦波の振動は、絶縁体層１３を介して第２圧電体薄膜形成体１２に伝播する。第２圧電体薄膜形成体１２は、第１圧電体薄膜１１０と同じ厚さであって同じ圧電材料から成る10枚の第２圧電体薄膜１２０−１〜１２０−１０を有し、各第２圧電体薄膜１２０−１〜１２０−１０は隣接する第２圧電体薄膜の分極Ｐと逆方向を向いているため、第２圧電体薄膜形成体１２内には、第１圧電体薄膜１１０の縦波と同じ波長及び周波数を有する縦波の振動が形成される。この第２圧電体薄膜形成体１２の振動により、第２の１電極１５１と第２の２電極１５２の間に、この振動の周波数と同じ周波数を有する交流電圧が生じる。その際、10枚の第２圧電体薄膜１２０−１〜１２０−１０の各々において薄膜の両表面間に第１圧電体薄膜１１０の両表面間と同じ振動に対応した同じ大きさの交流の電位差が生じ、10枚の第２圧電体薄膜１２０−１〜１２０−１０でそれぞれ生じる電位差が加算されるため、第２の１電極１５１と第２の２電極１５２の間には、第１圧電体薄膜１１０の両表面間の電圧（すなわち入力電圧）の10倍の大きさを有する交流の出力電圧Vout=10Vinが生じる。このように、トランス１０は、入力電圧を10倍に昇圧する機能を有する。
【００４６】
その反対の動作として、第２の１電極１５１と第２の２電極１５２の間に、前記共振周波数と同じ周波数を有する交流電圧を入力すると、該交流電圧の1/10の大きさを有する出力電圧が第１の１電極１４１と第１の２電極１４２の間に出力される。
【００４７】
本実施形態のレクテナ２０では、図２(b)に示すように、アンテナ２１が前記共振周波数と同じ周波数の電磁波を受信すると、該電磁波が変換された交流電気信号が、アンテナ２１から第１の２電極１４２に入力される。これにより第１の１電極１４１（接地）と第１の２電極１４２の間に印加される交流電圧が、前述のようにトランス１０によって10倍の大きさに昇圧され、出力電圧が第２の１電極１５１と第２の２電極１５２の間に出力される。この出力電圧が整流回路２２の入力部２２１に入力されたうえで直流に変換され、直流電圧が整流回路２２の出力部２２２から出力される。こうして出力された直流電圧を有する電力は、センサを起動させる電力等に用いることができる。
【００４８】
(3) 本実施形態のトランス及びレクテナの変形例等
図３(a)〜(c)に、本実施形態のトランス１０の変形例を示す。これらの変形例では、各圧電体薄膜の分極Ｐの方向が上記実施形態のトランス１０と異なっており、それ以外の構成は上記実施形態のトランス１０と同じである。
【００４９】
図３(a)に示したトランス１０Ａは上記第２の態様のトランスである。このトランス１０Ａでは、第１圧電体薄膜形成体１１Ａの第１圧電体薄膜１１０Ａは、分極Ｐが該第１圧電体薄膜１１０Ａに平行な一方向を向いている。第２圧電体薄膜形成体１２Ａの圧電体薄膜のうち第１圧電体薄膜１１０Ａに最近接の第２圧電体薄膜１２０−１Ａでは、分極Ｐは該第２圧電体薄膜１２０−１Ａに平行であって第１圧電体薄膜１１０Ａの分極Ｐと逆方向を向いている。第２圧電体薄膜形成体１２Ａの第２圧電体薄膜１２０−１Ａ〜１２０−１０Ａの分極Ｐはそれぞれ、第２圧電体薄膜に平行であって隣接する第２圧電体薄膜と逆方向を向いている。
【００５０】
このように各圧電体薄膜の分極Ｐが形成されていることにより、第１の１電極１４１と第１の２電極１４２の間に交流の入力電圧が印加されると、第１圧電体薄膜１１０Ａ内に、該第１圧電体薄膜１１０Ａの厚さを半波長とする横波の基本モードの振動が生じ、この振動が第２圧電体薄膜形成体１２Ａの第２圧電体薄膜１２０−１Ａ〜１２０−１０Ａに伝播する。これにより、第２圧電体薄膜形成体１２Ａ内に、第１圧電体薄膜１１０Ａの横波と同じ波長及び周波数を有する横波の振動が形成される。そして、この第２圧電体薄膜形成体１２Ａの振動により、第２の１電極１５１と第２の２電極１５２の間に、この振動の周波数と同じ周波数を有する交流の出力電圧が出力される。第２圧電体薄膜形成体１２Ａが第１圧電体薄膜形成体１１Ａの10倍の枚数の第２圧電体薄膜１２０−１Ａ〜１２０−１０Ａを有するため、出力電圧の大きさはトランス１０の場合と同様に入力電圧の大きさの10倍となる。
【００５１】
以上のように、トランス１０Ａでは、第１圧電体薄膜形成体１１Ａ及び第２圧電体薄膜形成体１２Ａ内に形成される振動が横波であるという点を除いて、トランス１０と同様に動作する。
【００５２】
図３(b)に示したトランス１０Ｂでは、第１圧電体薄膜形成体１１Ｂの第１圧電体薄膜１１０Ｂの分極Ｐは、薄膜の法線に対して角度θだけ傾斜した方向を向いている。第２圧電体薄膜形成体１２Ｂの圧電体薄膜のうち第１圧電体薄膜１１０Ｂに最近接の第２圧電体薄膜１２０−１Ｂでは、分極Ｐは薄膜の法線に対して角度θだけ傾斜している。また、第２圧電体薄膜１２０−１Ｂの分極Ｐの薄膜に平行な面への射影は、第１圧電体薄膜１１０Ｂの分極Ｐの同面への射影と逆方向（180°異なる方向）になっている。すなわち、第２圧電体薄膜１２０−１Ｂの平行分極成分は第１圧電体薄膜１１０Ｂの平行分極成分と逆方向を向いている。また、第２圧電体薄膜１２０−１Ｂ〜１２０−１０Ｂの平行分極成分はそれぞれ、隣接する第２圧電体薄膜の平行分極成分と逆方向を向いている。一方、各圧電体薄膜の垂直分極成分はいずれも同方向を向いている。このように各圧電体薄膜の平行分極成分が形成されていることにより、トランス１０Ｂではトランス１０Ａと同様に、第１の１電極１４１と第１の２電極１４２の間に交流の入力電圧が印加されると、第１圧電体薄膜形成体１１Ｂ及び第２圧電体薄膜１２０−１Ｂ〜１２０−１０Ｂ内に横波の振動が生成され、第２の１電極１５１と第２の２電極１５２の間に入力電圧の10倍の大きさを有する出力電圧が出力される。
【００５３】
図３(c)に示したトランス１０Ｃは、第２圧電体薄膜１２０−１Ｃ、１２０−３Ｃ、１２０−５Ｃ、１２０−７Ｃ、及び１２０−９Ｃの分極が、トランス１０Ｂの第２圧電体薄膜１２０−１Ｂ等の分極と180°異なる方向を向いている点を除いて、トランス１０Ｂと同じ構成を有する。トランス１０Ｃの各圧電体薄膜では、隣接する圧電体薄膜同士の垂直分極成分は互いに逆方向を向き、平行分極成分は全て同じ方向を向いている。このような構成により、トランス１０Ｃの第１の１電極１４１と第１の２電極１４２の間に交流の入力電圧が印加されると、第１圧電体薄膜形成体１１Ｂ及び第２圧電体薄膜１２０−１Ｂ〜１２０−１０Ｂ内に縦波の振動が生成され、第２の１電極１５１と第２の２電極１５２の間に入力電圧の10倍の大きさを有する出力電圧が出力される。
【００５４】
図４に、本実施形態のトランス１０の他の変形例を示す。これらの変形例では、圧電体薄膜の数が上記トランス１０、１０Ａ、１０Ｂ及び１０Ｃとは異なる。なお、図４では各圧電体薄膜の分極Ｐを薄膜に垂直な方向として示しているが、各圧電体薄膜の分極Ｐが薄膜に平行である場合や薄膜に対して傾斜している場合にも同様に、以下に述べる圧電体薄膜の数の相違による出力電圧の相違が生じる。
【００５５】
図４(a)に示したトランス１０Ｄでは、第１圧電体薄膜形成体１１Ｄは1枚の第１圧電体薄膜１１０Ｄから成り、第２圧電体薄膜形成体１２Ｄは4枚の第２圧電体薄膜１２０−１Ｄ〜１２０−４Ｄから成る。トランス１０Ｄの第１の１電極１４１と第１の２電極１４２の間に交流の入力電圧が印加されると、第２の１電極１５１と第２の２電極１５２の間に、入力電圧の4倍の大きさを有する出力電圧が出力される。
【００５６】
ここまでの例では第１圧電体薄膜形成体は1枚のみの圧電体薄膜から成るものを用いているが、2枚以上の圧電体薄膜から成る第１圧電体薄膜形成体を用いてもよい。図４(b)に示したトランス１０Ｅでは、第１圧電体薄膜形成体１１Ｅは2枚の第１圧電体薄膜１１０−１Ｅ及び１１０−２Ｅから成り、第２圧電体薄膜形成体１２Ｅは5枚の第２圧電体薄膜１２０−１Ｅ及び１２０−５Ｅから成る。トランス１０Ｅの第１の１電極１４１と第１の２電極１４２の間に交流の入力電圧が印加されると、第２の１電極１５１と第２の２電極１５２の間に、入力電圧の5/2倍の大きさを有する出力電圧が出力される。
【００５７】
図５(a)に示すトランス１０Ｆは、上記第３の態様のトランスである。このトランス１０Ｆは、それぞれ厚さdを有する5枚の第１圧電体薄膜１１０−１Ｆ〜１１０−５Ｆから成る第１圧電体薄膜形成体１１Ｆと、厚さ5d、すなわち第１圧電体薄膜形成体１１Ｆと同じ厚さを有する1枚の第２圧電体薄膜１２０Ｆから成る第２圧電体薄膜形成体１２Ｆと、第１圧電体薄膜形成体１１Ｆと第２圧電体薄膜形成体１２Ｆの間に設けられた絶縁体層１３を有する。第１圧電体薄膜１１０−１Ｆ〜１１０−５Ｆは、分極が該第１圧電体薄膜に垂直であり、隣接する第１圧電体薄膜同士では分極Ｐが逆方向になっている。第２圧電体薄膜１２０Ｆの分極は該第２圧電体薄膜１２０Ｆに垂直である。なお、図５(a)の欄外に示すように、第１圧電体薄膜１１０−１Ｆ〜１１０−５Ｆ及び第２圧電体薄膜１２０Ｆの分極Ｐは、それら薄膜に平行（これは上記第４の態様のトランスに対応）であってもよいし、該薄膜の法線に対して傾斜していてもよい。
【００５８】
第１圧電体薄膜形成体１１Ｆには、隣接する第１圧電体薄膜の厚さ方向の両端及び隣接する圧電体薄膜同士の境界（4箇所）に第１電極１４１Ｆ〜１４６Ｆが（合計6個）設けられている。第２圧電体薄膜形成体１２Ｆの厚さ方向の両端には、１対の第２電極１５１Ｆ及び１５２Ｆが設けられている。各第１電極１４１Ｆ〜１４６Ｆのうち、第１電極１４１Ｆ、１４３Ｆ、１４５Ｆには高周波電源が接続され、第１電極１４２Ｆ、１４４Ｆ、１４６Ｆは接地される（図５(a)に一点鎖線で図示。なお、高周波電源及び接地はトランス１０Ｆの構成要素ではない。）。すなわち、第１電極１４１Ｆ〜１４６Ｆには、厚さ方向に向かって順に、高周波電源及び接地が交互に接続される。これにより、各第１圧電体薄膜１１０−１Ｆ〜１１０−５Ｆには厚さ方向に交流電圧が印加されるようになっている。
【００５９】
このトランス１０Ｆは、第１電極１４１Ｆ〜１４６Ｆによって各第１圧電体薄膜１１０−１Ｆ〜１１０−５Ｆに交流の入力電圧が印加されると、第１圧電体薄膜１１０−１Ｆ、３Ｆ及び５Ｆ（ハイフン以下が奇数）と、第１圧電体薄膜１１０−２Ｆ及び４Ｆ（同・偶数）に印加される電圧は互いに逆極性となる一方、分極Ｐがも互いに逆方向であるため、全ての第１圧電体薄膜１１０−１Ｆ〜１１０−５Ｆは同じ方向に振動する。これにより、振動の波長は、第１圧電体薄膜形成体１１Ｆの厚さ方向の全体で半波長となる。この振動が第２圧電体薄膜形成体１２Ｆに伝播すると、第２圧電体薄膜形成体１２Ｆにおいても同じく振動の波長は厚さ方向の全体で半波長となる。この振動により、第２電極１５１Ｆ、１５２Ｆ間に、該振動の周波数に対応する周波数を有する交流の出力電圧が生じる。ここで、第２電極１５１Ｆ、１５２Ｆ間の第２圧電体薄膜１２０Ｆの厚さが、第１電極１４１Ｆ〜１４６Ｆにおいて隣接する電極同士の間にある各第１圧電体薄膜１１０−１Ｆ〜１１０−５Ｆの厚さよりも大きいため、第２電極１５１Ｆ、１５２Ｆ間の出力電圧の大きさは、各第１圧電体薄膜１１０−１Ｆ〜１１０−５Ｆ間に印加された入力電圧よりも大きくなる。
【００６０】
図５(b)に示すレクテナ２０Ｆは、図５(a)で示した高周波電源の代わりにトランス１０Ｆにアンテナ２１を第１電極１４１Ｆ、１４３Ｆ、１４５Ｆに接続すると共に、第２電極１５１Ｆ、１５２Ｆに整流回路２２を接続したものである。レクテナ２０Ｆの動作は、トランス１０Ｆの動作を除いて、前述のレクテナ２０と同じである。
【００６１】
これまでに述べた実施形態及びその変形例のトランスは、図６に示すように支持部で支持することにより、第１圧電体薄膜形成体及び第２圧電体薄膜形成体の振動のエネルギーがトランスの外に漏れて損失となることを抑えることができる。なお、図６ではトランス１０の場合を例として示しているが、各変形例のトランスにおいても同様の支持部を用いることができる。図６(a)に示した支持部１６Ａは、板状の部材の中央を刳り抜いて空洞１６１を形成したものであり、空洞１６１の周囲の枠体１６２により、トランス１０の下面（第１の１電極１４１の下面）の外周部を支持している。トランス１０のうち空洞１６１に面する領域では、トランス１０が空気と面しており、第１圧電体薄膜形成体１１及び第２圧電体薄膜形成体１２の振動のエネルギーがトランス１０の外に漏れることが抑えられる。
【００６２】
図６(b)に示した支持部１６Ｂは、音響ブラッグ反射器から成る。音響ブラッグ反射器は、音響インピーダンスが異なる2種類の層を交互に複数層ずつ積層して成る。音響ブラッグ反射器の各層の厚さを、トランス１０における振動周波数を有する音波のブラッグ反射が生じるように定めておくことにより、トランス１０の第１圧電体薄膜形成体１１及び第２圧電体薄膜形成体１２の振動のエネルギーが外部に漏れることが抑えられる。
【００６３】
(4) 本実施形態及びその変形例のトランス及びレクテナの効果
本実施形態及びその変形例によれば、圧電体薄膜を積層した構成により寸法の小さいトランスを得ることができ、当該トランスを用いたレクテナの寸法も小さくすることができる。本実施形態及びその変形例に係るレクテナは、商用電源との接続が不要であり、昼夜を問わず且つ天候の影響を受けることなく電力を供給することができるうえに、設置空間を小さくすることができるため、センサ等の機器の電源に好適に用いることができる。また、圧電体薄膜の厚さ及び圧電材料により定まる振動周波数と同じ特定の周波数の電波を送信することで、レクテナに接続された機器を起動させたり、当該特定の周波数の電波を停止することで当該機器を停止させるという方法で使用することも可能になる。
【００６４】
(5) 圧電体薄膜形成体及びその製造方法の一例
ここでは、圧電体薄膜形成体及びその製造方法の一例を説明する。まず、製造方法の一例として、図３(b)に示した第２圧電体薄膜形成体１２Ｂのように、各圧電体薄膜の分極が薄膜の法線に対して傾斜し、隣接する圧電体薄膜同士で平行分極成分が互いに逆方向を向いた、Al1-xRxNから成る圧電体薄膜形成体を製造する方法を説明する。
【００６５】
図７に、この例の製造方法で用いる圧電体薄膜形成体製造装置３０を示す。圧電体薄膜形成体製造装置３０は、真空チャンバ３１内に、マグネトロン電極３２と、マグネトロン電極３２に対向しつつ後述のように傾斜して設けられた板状の陽極３３を有する。マグネトロン電極３２は、陽極３３との対向面にスパッタターゲットTが略水平に載置されると共に、マッチングボックス３４１を介して高周波電源３４が接続されている。スパッタターゲットTには、Alから成る板状のターゲットＴ−ＡＬの上に、Rから成る粒状のターゲットＴ−Ｒを載置したものを用いる。陽極３３は、板面の法線が鉛直方向（マグネトロン電極３２のスパッタターゲットTを載置する面の法線）に対して60°傾斜して配置されている。陽極３３は、マグネトロン電極３２との対向面に基板Ｓが取り付けられると共に、接地されている。また、陽極３３には、冷却水により基板Ｓを冷却する冷却機構３５が設けられている。真空チャンバ３１の壁面には、真空チャンバ３１内にガスを導入するガス導入口３６、及び当該ガスを導入する前に真空チャンバ３１内の空気等を排出するガス排出口３７が設けられている。
【００６６】
図８を用いて、圧電体薄膜形成体製造装置３０を用いた圧電体薄膜形成体製造方法を説明する。なお、図８では、陽極３３を実際の向きから60°回転させて、陽極３３の板面が図の左右を向くように描いている。まず、基板Ｓを陽極３３に取り付けると共に、ターゲットＴ−ＡＬ及びＴ−Ｒをマグネトロン電極３２に載置する。基板Ｓには、例えば石英ガラスから成るものを用いることができる。この状態で、真空チャンバ３１内の気体をガス排出口３７から排出したうえで、ガス導入口３６から窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを導入する。窒素ガスとアルゴンガスの混合比は、例えば分圧で窒素ガス1に対してアルゴンガス2とし、混合ガス全体の圧力は例えば0.75Paとする。これら混合比や圧力は、この例には限定されない。また、アルゴンガスの代わりに他の不活性ガスを用いてもよいし、混合ガスではなく窒素ガスのみを用いてもよい。
【００６７】
次に、冷却機構３５により基板Ｓを冷却しつつ、高周波電源３４からマグネトロン電極３２に高周波電力を投入する。これにより、ターゲットＴ−ＡＬ及びＴ−Ｒの周囲にプラズマが生成され、該プラズマによってターゲットＴ−ＡＬ及びＴ−Ｒがスパッタされる。それにより生成される、Al及びRから成るスパッタ粒子は、基板Ｓの表面の法線に対して傾斜した角度で該基板Ｓの表面に入射する（図８(a)）。このように基板Ｓの表面に入射したスパッタ粒子が堆積してゆき、Al1-xRxNから成る圧電体薄膜４１が形成される（図８(b)）。その際、スパッタ粒子が基板Ｓの表面の法線に対して傾斜した角度で入射するため、圧電体薄膜４１の分極は、薄膜の法線に対して傾斜した角度（θAとする）となる（図８(b)）。圧電体薄膜４１が所定の厚さになる時間だけスパッタを継続した後、高周波電源３４からマグネトロン電極３２への高周波電力の供給を停止する。ここまでが、前述の単位成膜工程である。
【００６８】
その後、基板Ｓをその表面の法線を軸として180°回転させたうえで陽極３３に取り付ける（位置変更工程、図８(c)）。そのうえで、圧電体薄膜４１の表面に、上記と同じ方法によりAl1-xRxNから成る圧電体薄膜４２（図８(d), (e)）を形成する。この圧電体薄膜４２の分極は、薄膜の法線に対して角度θAだけ傾斜し、薄膜への射影が圧電体薄膜４１における薄膜への射影とは逆方向となる。すなわち、圧電体薄膜４１の平行分極成分と圧電体薄膜４２の平行分極成分は互いに逆方向となる。
【００６９】
以降、これまでと同じ操作を繰り返すことにより、隣接する圧電体薄膜同士の平行分極成分が互いに逆方向である圧電体薄膜形成体を作製することができる。
【００７０】
図９に、変形例の圧電体薄膜形成体製造装置３０Ａを示す。この圧電体薄膜形成体製造装置３０Ａは、陽極３３Ａの板面の法線が鉛直方向を向くように陽極３３Ａが配置されている点と、真空チャンバ３１の壁面にイオンビーム照射装置３８が設けられている点で、前述の圧電体薄膜形成体製造装置３０と構成が相違している。その他の点では、圧電体薄膜形成体製造装置３０Ａの構成は圧電体薄膜形成体製造装置３０の構成と同じである。イオンビーム照射装置３８は、窒素イオン及びアルゴンイオンから成るイオンビームを、基板Ｓの表面の法線に対して傾斜した角度で該表面に照射するように設置されている。
【００７１】
図１０を参照しつつ、圧電体薄膜形成体製造装置３０Ａを用いて圧電体薄膜形成体を製造する方法を説明する。まず、基板Ｓを陽極３３Ａに取り付けると共に、ターゲットＴ−ＡＬ及びＴ−Ｒをマグネトロン電極３２に載置する。この状態で、真空チャンバ３１内の気体をガス排出口３７から排出したうえで、ガス導入口３６から窒素ガスとアルゴンガスの混合ガスを導入する。冷却機構３５により基板Ｓを冷却しつつ、高周波電源３４からマグネトロン電極３２に高周波電力を投入することにより、ターゲットＴ−ＡＬ及びＴ−Ｒをスパッタする。それと同時に、イオンビーム照射装置３８によって基板Ｓの表面にイオンビームを照射する（図１０(a)）。これにより、Al及びRから成るスパッタ粒子が基板Ｓの表面に堆積して圧電体薄膜４１が形成され、その際、基板Ｓの表面にイオンビームが照射されていることにより、圧電体薄膜４１の分極が薄膜の法線に対して傾斜した状態となる（図１０(b)）。圧電体薄膜４１が所定の厚さになる時間だけスパッタを継続した後、高周波電源３４からマグネトロン電極３２への高周波電力の供給を停止する。
【００７２】
その後、基板Ｓをその表面の法線を軸として180°回転させたうえで陽極３３に取り付け（図１０(c)）、圧電体薄膜４１の表面に、上記と同じ方法によりAl1-xRxNから成る圧電体薄膜４２（図１０(d), (e)）を形成する。この圧電体薄膜４２の分極は、薄膜の法線に対して、圧電体薄膜４１の場合と同じ角度だけ傾斜し、薄膜への射影が圧電体薄膜４１における薄膜への射影とは逆方向となる。以降、これまでと同じ操作を繰り返すことにより、隣接する圧電体薄膜同士の平行分極成分が互いに逆方向である圧電体薄膜形成体を作製することができる。
【００７３】
図１１に、圧電体薄膜形成体製造装置３０を用いて作製した、Al1-xScxNから成る圧電体薄膜形成体の断面の顕微鏡写真を示す。この圧電体薄膜形成体では、12枚の圧電体薄膜が積層しており、各圧電体薄膜の分極の方向（c軸方向と同じ）は薄膜に対して傾斜している。また、分極の傾斜の方向（分極の薄膜表面への射影の方向）は、隣接する圧電体薄膜同士で互いに逆方向となっている。
【００７４】
圧電体薄膜に横波の振動を生成する場合において、圧電体薄膜の法線に対するc軸の傾斜角度が、圧電材料毎に定まる所定の範囲内にある場合に、c軸が圧電体薄膜に平行である場合よりも電気機械結合係数k152が大きくなり、横波をより効率的に生成することができる。例えば図１２に示すように、Al1-xScxNでは、圧電体薄膜の法線に対するc軸の角度が約6〜68°の範囲内において、c軸が圧電体薄膜に平行である場合よりも電気機械結合係数k152が大きくなる。本実施形態のトランスにおいて、c軸がそのような傾斜角度を有する圧電体薄膜を用いることにより、入力電圧が小さい場合にも、より確実に電圧を昇圧することができる。
【００７５】
図１３に、本実施形態のトランスにおける圧電体薄膜形成体につき、横波変換損失の周波数による相違の測定値、及び分極の向きを考慮した理論モデル（Masonモデル）で求めた計算値を、圧電体薄膜形成体の圧電体薄膜が(a)1枚の場合、及び(b)12枚の場合について求めた結果をグラフで示す。圧電体薄膜はAl1-xScxNから成るものであり、1枚の圧電体薄膜の厚さは3.4μmである。(b)の実験値は、図１１に示した圧電体薄膜形成体で得られたものである。グラフ中に○印で示したデータは測定値、実線で示したデータは計算値である。図１３(a), (b)共に、横波変換損失の周波数による変化が測定値と計算値で同じ傾向を示しており、理論モデルと良く合った測定値が得られているといえる。従って、図１３(b)の実験値を求めた図１１の圧電体薄膜形成体は、理論モデルの通り、隣接する圧電体薄膜同士の平行分極成分が互いに逆方向になっているといえる。
【００７６】
次に、トランス１０Ｄ（第１圧電体薄膜が1枚、第２圧電体薄膜が4枚）の場合について、第１圧電体薄膜形成体１１Ｄ側のインピーダンス及び第２圧電体薄膜形成体１２Ｄ側のインピーダンスの周波数による相違をシミュレーションで求めた結果を図１４に示す。このシミュレーションでは、1枚の圧電体薄膜の厚さを5μmとし、厚さ方向の電気機械結合係数kt2を40％とした。また、第１の１電極１４１及び第１の２電極１４２に接続される、トランス１０Ｄにとっての電源のインピーダンスが標準的な50Ωである場合と、ダイポールアンテナで想定される(73+42.5j)Ω（jは虚数単位）である場合について、トランス１０Ｄの挿入損失の周波数による相違をシミュレーションで求めた結果を図１５に示す。図１４より、このトランス１０Ｄは周波数が約0.55GHzのときに動作することがわかり、図１５より、この動作周波数において挿入損失が他の周波数よりも絶対値が小さく（損失が小さく）、効率よく電圧の変換を行うことができることがわかる。
【符号の説明】
【００７７】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ…トランス
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ…第１圧電体薄膜形成体
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄ、１１０−Ｅ１、１１０−Ｅ２、１１０−Ｆ１〜１１０−Ｆ５…第１圧電体薄膜
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ…第２圧電体薄膜形成体
１２０−１〜１２０−１０、１２０−１Ａ〜１２０−１０Ａ、１２０−１Ｂ〜１２０−１０Ｂ、１２０−１Ｃ〜１２０−１０Ｃ、１２０−１Ｄ〜１２０−４Ｄ、１２０−１Ｅ〜１２０−５Ｅ、１２０Ｆ…第２圧電体薄膜
１３…絶縁体層
１４、１４１Ｆ〜１４４Ｆ…第１電極
１４１…第１の１電極
１４２…第１の２電極
１５、１５１Ｆ、１５２Ｆ…第２電極
１５１…第２の１電極
１５２…第２の２電極
２０、２０Ｆ…レクテナ
２１…アンテナ
２２…整流回路
２２１…入力部
２２２…出力部
３０、３０Ａ…圧電体薄膜形成体製造装置
３１…真空チャンバ
３２…マグネトロン電極
３３、３３Ａ…陽極
３４…高周波電源
３４１…マッチングボックス
３５…冷却機構
３６…ガス導入口
３７…ガス排出口
３８…イオンビーム照射装置
４１、４２…圧電体薄膜
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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