(57)【要約】高い機械的運動量を達成することができ、したがって高エネルギ伝達が可能な多層圧電変圧器（１）が提供される。圧電変圧器（１）は、複合構造として構成された複数の層（４３、４４、５３、５４、６３、６４）を有する。圧電変圧器（１）の最外部（３１、３３）が入力部を備え、入力部は、圧電変圧器（１）の中心出力部（３２）に結合されている。圧電変圧器（１）の構成および異方性により、圧電変圧器（１）は、全体の厚さに対応する圧電変圧器（１）の長手方向共振周波数で駆動され、これが、圧電変圧器（１）の達成可能な利得および電力密度を増大させる。
2004516657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の厚さを有する第１の入力部であって、さらに、第１および第２の両側の電極化主面を有し、前記第１および第２の両側の主面に垂直な軸に平行な方向に分極された第１の入力セラミック層、および、前記第１の入力セラミック層の前記第１の主面に隣接する第１の入力端子を備える第１の入力部と、
第２の厚さを有する第２の入力部であって、さらに、第１および第２の両側の電極化主面を有し、前記軸に平行な方向に分極された第２の入力セラミック層、および、前記第２の入力セラミック層の前記第１の主面に隣接する第２の入力端子を備える第２の入力部と、
第３の厚さを有する出力部であって、さらに、第１および第２の両側の電極化主面を有し、前記軸に平行な方向に分極された第１の出力セラミック層、第１および第２の両側の電極化主面を有し、前記軸に平行な方向に分極された第２の出力セラミック層、前記第１の出力セラミック層の前記第１の主面および前記第２の出力セラミック層の前記第１の面に隣接する出力端子、前記第１の出力セラミック層の前記第２の主面および前記第１の入力セラミック層の前記第２の主面に隣接する第１のコモン端子、および、前記第２の出力セラミック層の前記第２の主面および前記第２の入力セラミック層の前記第２の主面に隣接する第２のコモン端子を備える出力部とを備え、
前記第１の入力端子と前記第１のコモン端子にわたる第１の振動電圧の印加後に、前記第１の入力セラミック層が前記軸に平行な前記方向で交互に伸張および収縮し、
前記第２の入力端子と前記第２のコモン端子にわたる第２の振動電圧の印加後に、前記第２の入力セラミック層が前記軸に平行な前記方向で交互に伸張および収縮し、
前記軸に平行な前記方向での前記第１および第２の入力セラミック層の前記伸張および収縮が、前記軸に平行な前記第１および第２の出力セラミック層の第１の振動機械的歪を生じ、
前記第１および第２の出力セラミック層の前記第１の振動機械的歪が、前記第１および第２の出力セラミック層それぞれの前記第１の面と前記第２の面の間に第３の振動電圧を圧電的に発生することを特徴とする圧電変圧器。
【請求項２】
前記第１の入力部はさらに、
第１および第２の両側の電極化主面を有し、前記軸に平行な方向に分極された第３の入力セラミック層であって、前記第１の主面が前記第１の入力端子に隣接する第３の入力セラミック層と、
前記第３の入力セラミック層の前記第２の主面が隣接する第３の入力端子とを備え、
前記第１の入力端子と前記第３の入力端子にわたる前記第１の振動電圧の印加後に、前記第３の入力セラミック層が前記軸に平行な前記方向で交互に伸張および収縮することを特徴とする請求項１に記載の圧電変圧器。
【請求項３】
前記第２の入力部はさらに、
第１および第２の両側の主面を有し、前記軸に平行な方向に分極された第４の入力セラミック層であって、前記第１の主面が前記第２の入力端子に隣接する第４の入力セラミック層と、
前記第４の入力セラミック層の前記第２の主面が隣接する第４の入力端子とを備え、
前記第２の入力端子と前記第４の入力端子にわたる前記第２の振動電圧の印加後に、前記第４の入力セラミック層が前記軸に平行な前記方向で交互に伸張および収縮することを特徴とする請求項２に記載の圧電変圧器。
【請求項４】
前記第１の入力部は接着剤を用いて前記出力部に結合され、
前記第２の入力部は接着剤を用いて前記出力部に結合されることを特徴とする請求項３に記載の圧電変圧器。
【請求項５】
前記第１のコモン端子はさらに、第１の入力セラミック層の前記第１の面と第１の出力セラミック層の前記第１の面との間に第１の結合線を備え、
前記第１の出力セラミック層の前記機械的歪が前記第１の結合線に集中されることを特徴とする請求項４に記載の圧電変圧器。
【請求項６】
前記第２のコモン端子はさらに、第２の入力セラミック層の前記第１の面と第２の出力セラミック層の前記第１の面との間に第２の結合線を備え、
前記第２の出力セラミック層の前記機械的歪が前記第２の結合線に集中されることを特徴とする請求項５に記載の圧電変圧器。
【請求項７】
さらに、
前記第１または第２の入力セラミック層にわたって第１の周波数の振動電圧を印加する手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の圧電変圧器。
【請求項８】
前記第１の周波数は前記軸に平行な振動の共振周波数であり、
前記第１、第２、および第３の厚さの合計は前記共振周波数の半波長の整数倍に等しいことを特徴とする請求項７に記載の圧電変圧器。
【請求項９】
前記第１の出力セラミック層および前記第２の出力セラミック層は、前記軸に平行な逆方向に分極されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電変圧器。
【請求項１０】
前記第１の入力セラミック層および前記第３の入力セラミック層は、前記軸に平行な逆方向に分極されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電変圧器。
【請求項１１】
前記第２の入力セラミック層および前記第４の入力セラミック層は、前記軸に平行な逆方向に分極されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電変圧器。
【請求項１２】
前記第１の厚さは前記共振周波数の半波長の整数倍に等しくなく、
前記第２の厚さは前記共振周波数の半波長の整数倍に等しくなく、
前記第３の厚さは前記共振周波数の半波長の整数倍に等しくないことを特徴とする請求項７に記載の圧電変圧器。
【請求項１３】
第１の厚さを有する第１の入力部であって、さらに、第１および第２の両側の電極化主面を有し、前記第１および第２の両側の主面に垂直な軸に平行な方向に分極された第１の入力セラミック層、前記第１の入力セラミック層の前記第１の主面に隣接する第１の入力端子、および、前記第１の入力セラミック層の前記第２の主面に隣接する第２の入力端子を備える第１の入力部と、
第２の厚さを有する第２の入力部であって、さらに、第１および第２の両側の電極化主面を有し、前記軸に平行な方向に分極された第２の入力セラミック層、前記第２の入力セラミック層の前記第１の主面に隣接する第３の入力端子、および、前記第２の入力セラミック層の前記第２の主面に隣接する第４の入力端子
を備える第２の入力部と、
第１および第２の両側の主面を有する第１の絶縁層であって、前記第１の主面が前記第２の入力端子に隣接する第１の絶縁層と、
第１および第２の両側の主面を有する第２の絶縁層であって、前記第１の主面が前記第４の入力端子に隣接する第２の絶縁層と、
第３の厚さを有する出力部であって、さらに、第１および第２の両側の電極化主面を有し、前記軸に平行な方向に分極された第１の出力セラミック層、第１および第２の両側の電極化主面を有し、前記軸に平行な方向に分極された第２の出力セラミック層、前記第１の出力セラミック層の前記第１の主面および前記第２の出力セラミック層の前記第１の面に隣接する第１の出力端子、前記第１の出力セラミック層の前記第２の主面および前記第１の絶縁層の前記第２の主面に隣接する第２の出力端子、および、前記第２の出力セラミック層の前記第２の主面および前記第２の絶縁層の前記第２の主面に隣接する第３の出力端子を備える出力部とを備え、
前記第１の入力端子と第２の入力端子にわたる第１の振動電圧の印加後に、前記第１の入力セラミック層が、前記軸に平行な前記方向で交互に伸張および収縮し、
前記第３の入力端子と第４の入力端子にわたる第２の振動電圧の印加後に、前記第２の入力セラミック層が、前記軸に平行な前記方向で交互に伸張および収縮し、
前記軸に平行な前記方向での前記第１および第２の入力セラミック層の前記伸張および収縮が、前記軸に平行な前記第１および第２の出力セラミック層の第１の振動機械的歪を生じ、
前記第１および第２の出力セラミック層の前記第１の振動機械的歪は、前記第１および第２の出力セラミック層それぞれの前記第１の面と第２の面の間に第３の振動電圧を圧電的に発生することを特徴とする圧電変圧器。
【請求項１４】
前記第１の入力部はさらに、
第１および第２の両側の電極化主面を有し、前記軸に平行な方向に分極された第３の入力セラミック層であって、前記第１の主面が前記第１の入力端子に隣接する第３の入力セラミック層と、
前記第３の入力セラミック層の前記第２の主面が隣接する第５の入力端子とを備え、
前記第１の入力端子と前記第５の入力端子にわたる前記第１の振動電圧の印加後に、前記第３の入力セラミック層が前記軸に平行な前記方向で交互に伸張および収縮することを特徴とする請求項１３に記載の圧電変圧器。
【請求項１５】
前記第２の入力部はさらに、
第１および第２の両側の主面を有し、前記軸に平行な方向に分極された第４の入力セラミック層であって、前記第１の主面が前記第３の入力端子に隣接する第４の入力セラミック層と、
前記第４の入力セラミック層の第２の主面が隣接する第６の入力端子とを備え、
前記第３の入力端子と前記第６の入力端子にわたる前記第２の振動電圧の印加後、前記第４の入力セラミック層が前記軸に平行な前記方向で交互に伸張および収縮することを特徴とする請求項１４に記載の圧電変圧器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
１．発明の分野
本発明は、一般に複数の圧電セラミック層を使用する電圧変換器に関する。より詳細には、本発明は、ステップアップ電圧変換適用例のための、長手方向軸に沿った共振振動を使用する多層圧電変圧器に関する。圧電変圧器がより低い周波数で動作し、厚さモード振動を使用する圧電変圧器よりも大きい利得および電力密度を有するように、入力層と出力層が互いに結合される。
【０００２】
２．従来技術の説明
テレビジョンや蛍光ランプバラストなどのデバイスの内部電力回路で高電圧を発生するために、ワイヤ巻タイプの電磁変圧器が使用されている。そのような電磁変圧器は磁性基質からなるコアに巻かれた導体の形をとる。高い変圧比を実現するには導体の巻数を多くする必要があるので、効果的であると同時にコンパクトな形状の電磁変圧器を製造するのが極端に困難である。さらに、高周波数適用例に鑑みて、電磁変圧器は、ヒステリシス損失、渦電流損失、導体表皮効果損失の急激な増加など、電磁変圧器の磁性材料に伴う多くの欠点を有する。そのような損失は、磁性変圧器の実用的な周波数範囲を５００ｋＨｚ以下に制限する。
【０００３】
ワイヤ巻変圧器のこの問題および多くの他の問題を軽減するために、圧電効果を利用する圧電セラミック変圧器（すなわちＰＴ）が従来技術で提供されている。電磁変圧器に比べ、ＰＴは、共振周波数でピークを有する出力電圧対入力電圧比の鋭い周波数特性を有する。この共振周波数は、圧電セラミックおよび電極を含めた変圧器構成材料の材料定数および寸法、並びに変圧器の動作モードに依存する。さらに、ＰＴは一般的な電磁変圧器に勝るいくつかの利点を有する。ＰＴのサイズは相当する変圧比の電磁変圧器よりもはるかに小さくすることができ、ＰＴは不燃性にすることができ、かつ電磁誘導ノイズを発生しないようにすることができる。
【０００４】
ＰＴで採用されるセラミック本体は、リングやフラットスラブなどを含めた様々な形状および構成をとる。従来のＰＴの典型的な例が図１および２に例示されている。このＰＴのタイプは通常、「ローゼン型」圧電変圧器と呼ばれる。基本的なローゼン型圧電変圧器は米国特許第２８３０２７４号に開示されており、この基本装置のいくつかの変形形態は従来技術でよく知られている。典型的なローゼン型ＰＴは幅よりも長さが明確に長く、厚さよりも幅が実質的に広いフラットセラミックスラブ２０を備える。図１の場合、圧電本体２０は厚さよりも幅がかなり広く、幅よりも大きな長さを有するフラットスラブの形をしている。
【０００５】
図１に示されるように、いくつかの部分が他の部分と異なる形で分極されている圧電本体２０が採用される。スラブ２０の実質的な部分である、スラブの中心よりも右の発生器部分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。スラブの残りである、振動子部分２１は（厚さ方向で）スラブ面の平面に対して横方向に分極され、分極方向に低いインピーダンスを有する。この場合、スラブの振動子部分２１は実際的に２つの部分に分けられる。振動子部分２１の第１の部分２４は一方向で横方向に分極され、振動子部分２１の第２の部分２６も横方向に分極されるが、振動子部分２１の第１の部分２４での分極方向とは逆方向である。
【０００６】
電圧をスラブ２０の機械的応力に関係させることができるように、電極が提供される。望みであれば、コモン電極２８が存在していてもよく、図では接地されている。主要な接続のために、かつスラブ２０の低インピーダンス振動子部分２１の両面での電圧を関係させるために、コモン電極２８の反対側に電極３０が存在する。スラブ２０の高インピーダンス発生器部分２２において長手方向で発生する応力に電圧を関係させるために、コモン電極２８と協働するようにスラブの端部に二次または高電圧電極３５が存在する。電極３５は、反対の端部に接地された出力負荷３６の端子３４に接続されて示されている。
【０００７】
図１に示される構成では、低インピーダンス振動子部分２１の電極２８と３０の間に印加される電圧は、高インピーダンス発生器部分の電極２８と３５の間でのより高い電圧までステップアップされて、電極２８と３０の間に印加されるよりもはるかに高い電圧で負荷３６を提供する。印加電圧はｘｙ平面領域およびｙｚ平面領域での比例変化によるスラブの変形をもたらす。より具体的には、ローゼンＰＴは、それぞれ駆動電極２８および３０に交流電圧を印加することによって操作される。それにより横方向効果モード（「ｄ３１モード」）で、低インピーダンス振動子部分２１において長手方向振動が励起される。次いで、低インピーダンス振動子部分２１における横方向効果モード振動が、長手方向効果長手方向振動モード（「ｇ３３モード」）で高インピーダンス発生器部分２２の振動を励起する。したがって、電極２８と３５の間で高圧出力が得られる。一方、ステップダウン電圧の出力を得るためには、理解されるように、長手方向効果モード振動を受ける高インピーダンス部分２２を入力として使用することができ、横方向効果モード振動を受ける低インピーダンス部分２１を出力として使用することができる。
【０００８】
ローゼン型ＰＴは、非常に小さい横方向効果長手方向振動モード（「ｄ３１モード」）に関連して、使用可能な唯一の結合係数がｋ３１であるという欠点を有することが判明している。このため、非常に小さい帯域幅しか得られない。このような従来の圧電変圧器は約２００ｋＨｚまでしか動作しない。
【０００９】
そのような従来ＰＴの別の本来的な問題は、送電能力が比較的低いことである。従来ＰＴのこの欠点は、デバイスの振動子部分２１とデバイスのドライブ部分２２の間で機械的な利点がほとんどまたは全く実現されないことに関係する。これは各部分が本質的に同じ電気活性部材の一部であるためである。これは、デバイスの機械的エネルギ伝達能力を本来的に制限し、そのようなデバイスの電力処理能力を本来的に制限する。
【００１０】
さらに、共振状態下でさえ、ローゼン型ＰＴの圧電電圧伝達機能は圧電部材のｘｙおよびｙｚ表面領域での比較的低い大きさの比例変化（またはいくつかの実施形態では、ｘｙおよびｘ′ｙ′表面領域での変化）によって達成されるので、そのような圧電変圧器を使用する従来回路の電力処理能力は本来的に低い。
【００１１】
さらに、典型的なローゼン変圧器では、部材を所望の形状にそれぞれ「押し」かつ「引く」ために、部材の振動子部分２１の両面にわたって正負の電圧を交互に印加することが通常必要である。
【００１２】
共振状態下でさえ、そのような従来ＰＴを組み込む従来の電気回路は比較的効率が悪い。これは、第１の形状に圧電部材を「押す」ために動作の第１の半サイクル中に必要なエネルギが、動作の「引き」半サイクル中には（発熱により）大幅になくなるためである。この発熱は回路の効率低下、出火の危険の増大、および／または構成要素および回路信頼性の低下に対応する。
【００１３】
さらに、そのような発熱回路の温度を低減するために、回路構成要素（典型的には、スイッチングトランジスタおよび他の構成要素、並びに変圧器自体を含む）のサイズが大きくなり、これは、回路を使用することができる適用例の数を減らし、また回路のコスト／値段を高くする。
【００１４】
そのような従来ＰＴの送電能力は非常に小さいので、そのような従来の変圧器を１つ単独で使用して達成することができるよりも大きな送電能力を達成するために、複数のそのような変圧器を多層「スタック」に一体に組み合わせることが従来技術では一般的になっている。これは当然、変圧器のサイズおよび製造コストを高める。
【００１５】
また、厚さ方向で分極され、振動する（すなわち、振動が層の分極方向に平行である）ＰＴも一般に知られている。そのような「厚さモード」振動ＰＴの例は、図３および４に示されるＩｎｏｕｅ特許（米国特許第５１１８９８２号）のデバイスである。厚さモード振動ＰＴは通常、互いに積層された低インピーダンス部分１１と高インピーダンス部分１２を備える。厚さモードＰＴの低インピーダンス部分１１および高インピーダンス部分１２は通常、電極層と交互に一連のセラミックの積層を備える。各部分が、少なくとも２つの電極層と、少なくとも１つの圧電材料層とからなる。低インピーダンス部分１１の圧電セラミック層と、高インピーダンス部分１２のセラミック層とはそれぞれ、（セラミック層間の界面の平面に垂直な）厚さ方向に分極されている。各部分１１または１２のあらゆる交互電極層を互いに接続し、かつ選択された外部端子に接続することができる。
【００１６】
図３の厚さモードＰＴは、複数の圧電層を含む低インピーダンス振動子部分１１と、１層の圧電層を含む高インピーダンス振動子部分１２とを備え、各層が、図４に示されるように一体に積層され、厚さ伸長モードで振動される。
【００１７】
低インピーダンス部分１１は、上面電極層２０１と、内部電極層１３１〜１３４を含めた電極間にそれぞれ挿入された多層圧電層を備える積層構造を有する。高インピーダンス部分１２は、底部電極層２０２と、内部電極層１３４と、両電極層２０２と１３４の間に挿入された単一圧電層とからなる。各圧電層の分極は、矢印によって示されるように、それぞれ厚さ方向である。低インピーダンス部分１１では、交互の圧電層が互いに逆方向に分極されている。高インピーダンス部分１２の分極も厚さ方向である。
【００１８】
図３の３端子構成は、各部分の１つの端子１６が接続されるコモン電極１３４を有する。図４のような４端子構成は、低インピーダンス部分１１用の一対の端子１６と１７、および高インピーダンス部分１２用の別の一対の端子１８と１９を含む。図３または４のＰＴの各層の厚さは、駆動周波数の半波長（λ／２）または１波長（λ）に等しい。
【００１９】
交流電圧が、振動子部分１１のセラミック層にわたって電極層に印加されるとき、振動は、長手方向振動モード（「ｄ３３モード」）で層の分極方向に平行なセラミック層内で励起される。低インピーダンス１１のこの振動が、高インピーダンス部分１２の振動を励起する。高インピーダンス部分１２が振動するとき、高インピーダンス部分１２のｇ３３モード変形が、高インピーダンス部分１２の電極にわたる電圧を発生する。厚さ伸長モードでＰＴを操作するとき、λ／２モードまたはλモードでのＰＴの共振周波数はＰＴの個々の層の厚さに依存し、したがってＰＴは１〜１０ＭＨｚの周波数範囲内で動作する。より具体的には、ＰＴの各個別層の厚さが、ＰＴが動作する共振周波数の半波長の整数倍に等しくなければならない。
【００２０】
従来の厚さモードＰＴに伴う問題は、厚さモード共振周波数が、いくつかの適用例には高すぎることである。
【００２１】
従来の厚さモードＰＴに伴う別の問題は、いくつかの適用例で、十分な送電能力を有さないことである。
【００２２】
従来の厚さモードＰＴに伴う別の問題は、ＰＴへのセラミック層の追加が、そのようなデバイスの電力密度を大幅に上昇せず、容量および誘電損失を増大する場合があることである。
【００２３】
したがって、同様のサイズの従来圧電変圧器よりも高い送電能力を有する圧電変圧器設計を提供することが望まれる。
【００２４】
また、同様の送電能力を有する従来の圧電変圧器よりも小さい圧電変圧器を提供することが望まれる。
【００２５】
また、デバイスの「ドライブ」部分とデバイスの「被ドライブ」部分とが同じ電気活性要素ではない圧電変圧器を提供することが望まれる。
【００２６】
また、デバイスのドライブ部分とデバイスの被ドライブ部分との間で大きな機械的利点を生じる圧電変圧器を提供することが望まれる。
【００２７】
また、固有周波数で、比較可能なサイズの従来の圧電変圧器で達成することができるよりも大きな運動量で振動する圧電変圧器を提供することが望まれる。
【００２８】
また、従来デバイスと同じ熱を発生せず、したがって熱による損失を低減する圧電変圧器を提供することが望まれる。
【００２９】
（発明の概要）
本発明によれば、好ましくは主に長手方向モードで固有（すなわち「共振」）周波数で動作する複合圧電変圧器（ＰＴ）が提供される。共振ＰＴは、第１の特徴（すなわち電圧、周波数、および電流）の変圧器入力信号を第２の特徴（すなわち電圧、周波数、および電流）の変圧器出力信号に変換する。開示されたＰＴは、ＰＴの入力「ドライブ」セクションを交流電圧にさらすことによって、上述の信号変換を効率良く達成し、入力部分を変形させ、振動させ、それにより出力部分を振動させ、さらにこれがＰＴの「被ドライブ」出力部分を変形させ、変圧器の被ドライブ部で出力電圧を発生させる。
【００３０】
ＰＴの最外部は、ＰＴの中心出力部に結合された入力部を備える。ＰＴの構成により、ＰＴを、全体の厚さに対応するＰＴの長手方向共振周波数で駆動することができるようになり、これはＰＴの達成可能な利得および電力密度を高める。本発明の好ましい実施形態は、高い機械運動量を達成することができる（すなわち、高エネルギ蓄積および伝達が可能な）多層圧電変圧器を提供する。
【００３１】
したがって、本発明の目的は、同様のサイズの従来ＰＴよりも高い送電能力を有するＰＴ設計を提供することである。
【００３２】
本発明の別の目的は、同様の送電能力を有する従来のＰＴよりも小さいＰＴを提供することである。
【００３３】
本発明の別の目的は、デバイスの「ドライブ」部分とデバイスの「被ドライブ」部分とが同じ電気活性要素ではないＰＴを提供することである。
【００３４】
本発明の別の目的は、デバイスのドライブ部分とデバイスの被ドライブ部分との間で大きな機械的利点を生じるＰＴを提供することである。
【００３５】
本発明の別の目的は、固有振動数で、比較可能なサイズの従来のＰＴで達成することができるよりも大きな運動量で振動するＰＴを提供することである。
【００３６】
本発明の別の目的は、比較可能な信号変換機能を行う従来ＰＴよりも比較的安く製造されるＰＴを提供することである。
【００３７】
本発明の別の目的は、従来のＰＴよりも高い利得を達成するように、より高い運動量で振動するＰＴを提供することである。
【００３８】
本発明の別の目的は、従来のＰＴよりも高い利得を達成するように、より低い周波数で振動するＰＴを提供することである。
【００３９】
本発明の別の目的は、積層構造を有する従来のＰＴよりも簡単に製造されるＰＴを提供することである。
【００４０】
本発明の別の目的は、容量および誘電損失による損失がより小さいＰＴを提供することである。
【００４１】
本発明の上述およびその他の目的および利点は、以下の詳細な説明を、添付図面に関連して考察すれば明らかになろう。図面中、全ての図を通じて、同じ参照符号が同じ部分を指す。
【００４２】
（好ましい実施形態の説明）
本発明では、ステップアップ電圧変換適用例のための、ＰＴ長手方向寸法に沿った厚さモード共振振動を使用する複合多層圧電変圧器が提供される。圧電変圧器の複合構成は、（各層の厚さ方向で、しかし複合構造の長手方向で）より低い周波数で動作し、従来の厚さモード振動を単に使用する同じサイズの圧電変圧器よりも高い利得および高い電力密度を有するＰＴを提供する。
【００４３】
典型的な厚さモード圧電変圧器（ＴＭＰＴ）は、より大きな電圧利得および電力を回路適用例に提供することを企図する多層構成を利用する。変圧比は通常、入力部と出力部のインピーダンス比の二乗に実質的に比例する。しかし、追加されるセラミック層の効果には実用上の制限があり、ある時点を過ぎると、追加のセラミック層がＴＭＰＴの利得に寄与しなくなる。本発明では、ＰＴの層を一体に結合する特定の構成を使用し、それを特定のモードで動作することで、ＰＴで達成可能な利得を効果的に上昇させることができることが判明している。
【００４４】
厚さ伸長モード振動で動作する圧電変圧器の出力電力Ｐは、エネルギの観点からの簡単な考察に基づいて、ほぼ
【００４５】
Ｐ  ｆｒ・Ｖ・３３ｓ・ｋｔ２−Ｐ／ＱＭ
【００４６】
と表現される。ここでｆｒは厚さ伸長モード共振周波数であり、３３ｓは制約誘電率であり、Ｖは圧電変圧器の体積であり、ｋｔは厚さ伸長モード振動の電気機械結合効率であり、ＱＭは機械的品質係数である。したがって、ＰＴでは、単位体積あたりの出力電力（電力密度）は、圧電セラミック共振器の電気機械結合係数ｋｔが大きくなり、共振周波数ｆｒが高くなるにつれて増大する。圧電変圧器の機械的品質係数を高くすることによって、送電効率をより高くすることができる。従来のＰＴは、積層技法を用いると、並列精度および平坦性が低く、そのため機械的品質係数が低く、かつ送電効率がより低かった。
【００４７】
図５〜７を参照する。本発明では、ＰＴは、２つの入力部３１および３３と中心出力部３２とを有する複合構造を備える。第１の入力部３１は第１の厚さＴ１を有し、第２の入力部３３は第２の厚さＴ２を有し、出力部３２は第３の厚さＴ３を有する。ＰＴ１の入力部３１および３３と出力部３２は、変圧器全体のより低い周波数での長手方向共振振動モードを利用するように一体に結合される。
【００４８】
図５のＰＴ１では、ＰＴ１が、２つの入力部３１と３３の間に位置された１つの出力部３２を有する。ＰＴ１の出力部３２は、出力端子４７によって分離された圧電セラミックの２つの層４０および４５を備える。２つの出力層４０および４５はそれぞれ、好ましくは、上に電着された電極（銀および／またはニッケル）を有するＰＺＴ材料の円形ディスクを備える。より具体的には、第１の出力層４０は両側の主面上に堆積された電極１４３および１４４を有し、第２の出力層４５は両側の主面上に堆積された電極１４１および１４２を有する。２つの出力層４０および４５はそれぞれ、主面の一方に沿って中心出力端子４７に結合される。中心出力端子４７は好ましくは銅箔を備える。出力層４０および４５の残りの主面上にも出力端子４６および４８が結合され、好ましくはそれぞれがやはり銅箔を備える。より具体的には、１つの出力端子４６が、第１の出力セラミック層４０の残りの主面に結合され、別の出力端子４８が、第２の出力セラミック層４５の残りの主面に結合される。端子４６、４７、および４８への出力層４０および４５の結合は、好ましくはＣｉｂａ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｎ．Ａ．ｏｆ Ｅａｓｔ Ｌａｎｓｉｎｇ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ）が製造している「Ｃｉｂａｇｅｉｇｙ ＡＶ１１８」（ＣＩＢＡ）接着剤を使用して達成される。
【００４９】
出力層４０および４５は、厚さ方向、すなわちディスク４０および４５の主面に垂直な方向に分極される。好ましくは一方の出力層、例えば４０の分極方向が、他方の出力層、例えば４５の分極方向と逆である。最も好ましくは、出力層４０と４５がどちらも、矢印４３および４４によって示されるように中心出力端子４７に向けて厚さ方向で分極される。これとは別に、層４０および４５を、中心出力端子４７から離れるように厚さ方向で分極することができる。
【００５０】
ＰＴの好ましい実施形態では、各入力部３１および３３が、それぞれ２つの圧電セラミック入力層の対５０と５５、および６０と６５を備える。ＰＴ１の第１の入力部３１は、入力端子５１によって分離された圧電セラミックの２つの入力層５０および５５を備える。２つの入力層５０および５５はそれぞれ、好ましくは、上に電着された電極（銀および／またはニッケル）を有するＰＺＴ材料の円形ディスクを備える。より具体的には、第１の入力層５０は、両側の主面上に堆積された電極１５３および１５４を有し、第２の出力層５５は、両側の主面上に堆積された電極１５１および１５２を有する。２つの入力層５０および５５はそれぞれ、主面の一方に沿って中心入力端子５１に結合される。中心入力端子５１は、好ましくは銅箔を備える。入力部３１の一方の主面、すなわち入力層５０の残りの面は、出力部３２の外側入力端子４８に結合される。入力部３１の残りの主面、すなわち入力層５５の残りの面上には、外側入力端子５２が結合され、やはり好ましくは銅箔を備える。入力端子４８、５１、および５２への入力層５０および５５の結合は、好ましくはＣＩＢＡ接着剤を使用して達成される。
【００５１】
第１の入力部３１の入力層５０および５５は、厚さ方向、すなわちディスクの主面に垂直な方向に分極される。好ましくは一方の入力層、例えば５０の分極方向が、他方の入力層、例えば５５の分極方向と逆である。最も好ましくは、入力層５０および５５が、矢印５３および５４によって示されるように第１の入力部３１の中心入力端子５１に向かう方向に分極される。これとは別に、層５０および５５を、中心入力端子５１から離れるように厚さ方向で分極することができる。
【００５２】
ＰＴ１の第２の入力部３３も、入力端子６１によって分離された圧電セラミックの２つの入力層６０および６５を備える。２つの入力層６０および６５はそれぞれ、好ましくは、上に電着された電極（銀および／またはニッケル）を有するＰＺＴ材料の円形ディスクを備える。より具体的には、第１の入力層６０は両側の主面上に堆積された電極１６１および１６２を有し、第２の出力層６５は両側の主面上に堆積された電極１６３および１６４を有する。第２の入力部３３の２つの入力層６０および６５はそれぞれ、主面の一方に沿って中心入力端子６１に結合される。中心入力端子６１は好ましくは銅箔を備える。入力部３３の一方の主面、すなわち入力層６０の残りの面は、出力部３２の外側入力端子４６に結合される。入力部３３の残りの主面、すなわち入力層６５の残りの面上には、外側入力端子６２が結合され、やはり好ましくは銅箔を備える。入力端子４６、６１、および６２への入力層６０および６５の結合は、好ましくはＣＩＢＡ接着剤を使用して達成される。
【００５３】
入力層６０および６５は、厚さ方向、すなわちディスクの主面に垂直な方向に分極される。好ましくは一方の入力層、例えば６０の分極方向が、他方の入力層、例えば６５の分極方向と逆である。最も好ましくは、入力層６０および６５が、矢印６３および６４によって示されるように第１の入力部３３の中心電極６１に向かう方向に分極される。これとは別に、層６０および６５を、中心入力端子６１から離れるように厚さ方向で分極することができる。
【００５４】
図７は、電極および接着剤層を含めたＰＴの全ての層を示すＰＴ１の断面図である。出力セクション３２は各主面上に電極１４１および１４２を有し、かつ、それぞれ各電極１４１および１４２をカバーする接着剤コーティング１０１および１０２を有する第１の出力セラミック層４５を備える。出力セクション３２はまた、各主面上に電極１４３および１４４を有し、かつ、それぞれ各電極１４３および１４４をカバーする接着剤コーティング１０３および１０４を有する第２の出力セラミック層４０も備える。各出力層４０および４５は、それぞれ接着剤コーティング１０２および１０３を用いて中心出力端子４７に結合される。出力部３２はまた、出力セラミック層４０および４５の残りの面に結合された出力端子４６および４８を備える。第１のコモン出力端子４６は接着剤コーティング１０１を用いて第１の出力セラミック層４５に結合され、第２のコモン出力端子４８は接着剤コーティング１０４を用いて第２の出力セラミック層４０に結合される。出力端子４６および４８は、この実施形態では入力部３１および３３に結合され、または取り付けられ、それらの入力部と共用されるので、「コモン」と呼ぶ。
【００５５】
ＰＴ１は第１の入力部３１も備える。第１の入力部３１は各主面上に電極１５１および１５２を有し、かつ、それぞれ各電極１５１および１５２をカバーする接着剤コーティング１１１および１１２を有する第１の入力セラミック層５５を備える。第１の入力部３１はまた、各主面上に電極１５３および１５４を有し、かつ、それぞれ各電極１５３および１５４をカバーする接着剤コーティング１１３および１１４を有する第２の入力セラミック層５０も備える。入力層５０および５５はそれぞれ、接着剤コーティング１１２および１１３を用いて中心端子５１に結合される。第１の入力部３１の第２の入力層５０は、接着剤コーティング１１４を用いて第１のコモン端子４６に結合される。第１の入力部３１はまた、接着剤コーティング１１１を用いて第１の入力セラミック層５５の残りの面に結合された外側端子５２を備える。
【００５６】
ＰＴ１は第２の入力部３３も備える。第２の入力部３３は各主面上に電極１６１および１６２を有し、かつ、それぞれ各電極１６１および１６２をカバーする接着剤コーティング１２１および１２２を有する第１の入力セラミック層６０を備える。第２の入力部３３はまた、各主面上に電極１６３および１６４を有し、かつ、それぞれ各電極１６３および１６４をカバーする接着剤コーティング１２３および１２４を有する第２の入力セラミック層６５も備える。入力層６０および６５はそれぞれ、接着剤コーティング１２２および１２３を用いて中心端子６１に結合される。第２の入力部３３の第１の入力層６０は、接着剤コーティング１２１を用いて第２のコモン端子４８に結合される。第２の入力部３３はまた、接着剤コーティング１２４を用いて第２の入力セラミック層６５の残りの面に結合された外側端子６２を備える。
【００５７】
入力端子５０と５５、および６０と６５は、好ましくは出力層４０および４５と実質的に同じ円周である。入力層５０と５５、および６０と６５は、デバイスの所望の共振周波数に応じて、分極方向で出力層４０および４５よりも薄く、または厚く、あるいは出力層４０および４５と同じ厚さになるように選択することができる。これとは別に、入力および出力層４０、４５、５０と５５、および６０と６５を全て異なる円周にすることができるが、全て同じ円周であることが好ましい。また、出力層４０と４５が実質的に同じ厚さであり、入力層５０と５５、および６０と６５が実質的に同じ厚さであることも好ましい。これは、共振特性をより均一に、かつ予測可能にすることができ、デバイスのプロフィルを最小限に抑えることができる。しかし、入力層５０と５５、および６０と６５、並びに出力層４０と４５は、厚さが正確に同じである必要はない。これは、ＰＴが駆動される周波数が、従来のＴＭＰＴの場合のように個別層の厚さにではなく、（セラミック層４０と４５、５０と５５、および６０と６５、電極１４１〜１４４、１５１〜１５４、および１６１〜１６４、端子４６、４７、４８、５１、５２、６１、および６２、並びに接着剤層１０１、１０２、１０３、１０４、１１１、１１２、１１３、１１４、１２１、１２２、１２３、および１２４全てを含めた）ＰＴ１全体の厚さに対応するためである。したがって、従来のＴＭＰＴの狭い公差（波長の半分に等しい厚さ）は本発明に適用可能でなく、層は、異方性のＰＴ１に追加するには適合しない厚さになる場合がある。
【００５８】
各入力部３１および３３での２つのセラミック層の使用は、ＰＴ１の質量と体積の両方を増大させる。ＰＴ１の質量の増大および長さ増加が、ＰＴ１の共振周波数を低下させ、その一方で利得および電力密度を増大させる。利得の増大は、追加された質量がデバイスの運動量を増大させることによるものである。この利得の増大は、より高い電力対体積比をもたらす。さらに、ＰＴの動作中に入力部３１および３３と出力部３２との間の結合線５６および５８に最大圧縮および引張力が集中されてより高い利得を生じることを保証するように、層４０と４５、５０と５５、および６０と６５の長さを選択することができる。
【００５９】
ＰＴ１の寸法の一例として、デバイスの出力部３２が、それぞれ直径が２１ミリメートル（半径１０．５ミリメートル）であり、厚さが２ミリメートルである２つのＰＺＴディスク４０および４５を備える。入力部３１および３３はそれぞれ、直径が２１ミリメートルであり、厚さが２ミリメートルである一対のＰＺＴディスク５０と５５、および６０と６５を備える。銅箔（３ミル）４６、４７、４８、５１、５２、６１、および６２は、入力部３１および３３と出力部３２を構成するディスク４０、４５、５０と５５、６０と６５の各主面に結合される。このＰＴ１は、利得が約１：２０であり、出力電力が８０ワットである。ＰＴ１に関して選択されるこの寸法は、ＰＴ１がとり得る構成の単なる例示にすぎず、他の形状および厚さがどちらも可能であり、望ましい。例えば、複合ＰＴ１は円筒形である必要はなく、高さまたは直径の厚さである必要はない。ＰＴ１は厚さ方向で分極されるので、円筒形の断面（スライス）を高さにわたってとることができ、複合ＰＴが同じ原理に従って動作することを理解されたい。
【００６０】
図６を参照する。円筒形ではなく長方形スラブの形状で構成された複合ＰＴ２が例示されている。ただし、図６のＰＴ２の一部分は、図５のＰＴ１と変わっていない。デバイスの中心に、中心端子４７および２つの外側端子４６および４８に結合された圧電セラミック材料（好ましくはＰＺＴ）の２つの層４０および４５を備える出力部３２がある。出力部３２の２つの外側端子４６および４８に入力部３１および３３が結合され、それぞれが一対の入力セラミック層５０と５５、および６０と６５を備える。
【００６１】
出力部３２のセラミック層４０と４５はどちらも厚さ方向に分極され、好ましくは矢印によって示されるように中心端子４７に向かって分極される。また、入力部３１のセラミック層５０と５５、および入力部３３のセラミック層６０と６５がどちらも、厚さ方向に分極され、好ましくは、それぞれ矢印５３と５４、および矢印６３と６４によって示されるように当該の入力部３１および３３の中心端子５１および６１に向けて分極される。
【００６２】
図６は、長方形スラブ形構成での本発明に係る実施形態、および大きな電圧利得を達成するための電気リード線に関する接続の好ましい実施形態を示す。本発明に係るこの好ましい実施形態では、出力部３２の外側端子４６と４８はどちらも接地接続であり、中心端子４７は高圧出力接続である。同様に、第１の入力部３１の中心端子５１は入力電圧源に接続された入力端子であり、第２の入力部３３の中心端子も入力電圧源に接続された入力端子であり、当該の入力部３１および３３の層５０と５５、および６０と６５にわたって電位を入力する。第１および第２の入力部３１および３３の外側端子５２および６２は、同様に接地に接続される。これがＰＴ２を提供し、全ての高圧端子４７、５１、および６１がＰＴ２内部にあり、外部端子５２および６２が接地され、それにより望ましくない短絡または放電の可能性を低減する。
【００６３】
図６は、長方形スラブ形構成での本発明に係る実施形態、および大きな電圧利得を達成するための電気リード線に関する接続の好ましい実施形態を示す。本発明に係るこの好ましい実施形態では、出力部３２の外側端子４６と４８はどちらも接地接続であり、中心端子４７は高圧出力接続である。同様に、第１の入力部３１の中心端子５１は入力電圧源に接続された入力端子であり、第２の入力部３３の中心端子も入力電圧源に接続された入力端子であり、当該の入力部３１および３３の層５０と５５、および６０と６５にわたって電位を入力する。第１および第２の入力部３１および３３の外側端子５２および６２は、同様に接地に接続される。これがＰＴ２を提供し、全ての高圧端子４７、５１、および６１がＰＴ２内部にあり、外部端子５２および６２が接地され、それにより望ましくない短絡または放電の可能性を低減する。
【００６４】
図８および９を参照する。円筒形に構成された別の複合ＰＴ３が例示されており、しかし入力層と出力層の間に絶縁層の追加、および追加の入力端子を有する。ただし、図８のＰＴ３の残りの部分は、図５のＰＴ１と変わっていない。このＰＴは、２つの絶縁層に加えて、第１の厚さＴ４を有する第１の入力部２３１と、第２の厚さＴ５を有する第２の入力部２３３と、第３の厚さＴ６を有する出力部２３２とを備える。デバイスの中心には、中心端子２４７および２つの外側出力端子２４６および２４８に結合された圧電セラミック材料（好ましくはＰＺＴ）の２つの層２４０および２４５を備える出力部２３２がある。出力部２３２の２つの外側端子２４６および２４８に絶縁層７０および７５が結合されている。第１の絶縁層７０に入力部２３１が結合され、中心端子２５２および２つの外側入力端子２５１および２５３に結合された一対の入力セラミック層２５０および２５５圧電セラミック材料（好ましくはＰＺＴ）を備える。第２の絶縁層７５に入力部２３２が結合され、中心端子２６２および２つの外側入力端子２６１および２６２に結合された一対の入力セラミック層２６０および２６５の圧電セラミック材料（好ましくはＰＺＴ）を備える。
【００６５】
図９は、セラミック層および電極、絶縁層、端子、並びに接着剤層を含めたＰＴ３の全ての層の構成の詳細を示す。出力部２３２は、両側の主面上に電極２４１および２４２を有する第１の出力層２４５と、両側の主面上に電極２４３および２４４を有する第２の出力層２４０とを備える。電極２４１、２４２、２４３、および２４４は、好ましくは出力層２４０および２４５の各面上に電着され、各面を実質的にカバーする銀またはニッケルを備える。第１および第２の出力層２４５および２４０は、接着剤層２０３および２０４を用いて中心出力端子２４７に結合される。第１の出力層２４５の残りの面は、接着剤層２０２を用いて別の出力端子２４６に結合され、第２の出力層２４０の残りの面も、接着剤層２０５を用いて出力端子２４８に結合される。ＰＴ３の出力部２３２内の全ての接着剤層２０２、２０３、２０４、および２０５が、好ましくはＣＩＢＡ接着剤を備える。
【００６６】
第１の入力部２３１は、両側の主面上に電極２５１および２５２を有する第１の入力層２５５と、両側の主面上に電極２５３および２５４を有する第２の入力層２５０とを備える。電極２５１、２５２、２５３、および２５４は、好ましくは入力層２５０および２５５の各面上に電着され、各面を実質的にカバーする銀またはニッケルを備える。第１および第２の出力層２５５および２５０は、接着剤層２１２および２１３を用いて中心入力端子２５７に結合される。第１の入力層２５５の残りの面は、接着剤層２１１を用いて別の入力端子２４６に結合され、第２の入力層２５０の残りの面も、接着剤層２１４を用いて入力端子２５８に結合される。ＰＴ３の第１の入力部２３１内の全ての接着剤層２１１、２１２、２１３、および２１４が、好ましくはＣＩＢＡ接着剤を備える。
【００６７】
第２の入力部２３３は、両側の主面上に電極２６１および２６２を有する第１の入力層２６０と、両側の主面上に電極２６３および２６４を有する第２の入力層２６５とを備える。電極２６１、２６２、２６３、および２６４は、好ましくは入力層２６０および２６５の各面上に電着され、各面を実質的にカバーする銀またはニッケルを備える。第１および第２の出力層２６５および２６０は、接着剤層２２２および２２３を用いて中心入力端子２６７に結合される。第１の入力層２６０の残りの面は、接着剤層２２２を用いて別の入力端子２６６に結合され、第２の入力層２６５の残りの面も、接着剤層２２５を用いて入力端子２６８に結合される。ＰＴ３の第２の入力部２３３内の全ての接着剤層２２２、２２３、２２４、および２２５が、好ましくはＣＩＢＡ接着剤を備える。
【００６８】
ＰＴ３はまた、ＰＴ３の出力部２３２と入力部２３１および２３３との間に結合される一対の絶縁層７０および７５を備える。第１の絶縁層７０は、それぞれ接着剤層２０１および２１５を用いて、出力部２３２の出力端子２４６と、第１の入力部２３１の入力端子２５８との間に結合される。第２の絶縁層７５は、それぞれ接着剤層２０６および２２１を用いて、出力部２３２の出力端子２４８と、第２の入力部２３３の入力端子２６６との間に結合される。各絶縁層７０および７５は、好ましくは、例えばアルミナ、セラミック、誘電体、または他の剛性非導電材料の層を備える。絶縁層７０および７５は、好ましくは少なくとも各端子の縁部まで延在し、縁部に結合して、互いの電気接触を防止する。
【００６９】
出力部２３２のセラミック層２４０と２４５はどちらも厚さ方向に分極され、好ましくは矢印によって示されるように中心端子２４７に向かって分極される。また、入力部２３１のセラミック層２５０と２５５、および入力部２３３のセラミック層２６０と２６５がどちらも、厚さ方向に分極され、好ましくは、それぞれ矢印２５３と２５４、および矢印２６３と２６４によって示されるように当該の入力部２３１および２３３の当該の中心端子２５１および２６１に向けて分極される。
【００７０】
再び図８を参照する。変圧器に好ましい電気接続スキームでは、電圧入力は入力部２３１および２３３の中心端子２５７および２６７に提供され、出力は出力部２３２の中心端子で取られる。個別の入力として示してあるが、両方の入力端子２５７と２６７が共通電圧源に接続されることが好ましい。また、入力部２３１および２３３は、好ましくは接地に接続された外側端子２５６と２５８、および２６６と２６８を有する。出力部２３２の外側端子２４６および２４８も、好ましくは接地に接続され、より好ましくは、入力部２３１および２３３のアース接地ではなくシャーシ接地に接続される。
【００７１】
再び図５を参照する。動作中、第１の極性の電圧が、それぞれ電極１５２と１５３、および１６２と１６３に接続された入力端子５１および６１に印加される。第１の極性のこの電圧が第１の入力端子５１に印加されると、中心端子５１と、第１の入力部３１に結合された各外側端子５２および４８との間に電位が存在する。この電位が、第１の入力部３１の入力セラミック層５０と５５を厚さ方向で圧電的に接触させる（すなわち、層５０および５５の分極方向に平行なｄ３３モード変形）。逆の極性の電圧が入力端子５１に印加されると、中心端子５１と、第１の入力部３１に結合された各出力端子５２および４８との間に再び電位が存在する。この電位は、入力セラミック層５０と５５を厚さ方向で圧電的に伸張させる（すなわち、やはり層５０および５５の分極方向に平行なｄ３３モード変形）。
【００７２】
同様に、第１の極性の電圧が第２の入力端子６１に印加されると、中心端子６１と、第２の入力部３３に結合された各外側端子６２および４６との間に電位が存在する。この電位が、第２の入力部３３の入力セラミック層６０と６５を厚さ方向で圧電的に接触させる（すなわち、層６０および６５の分極方向に平行なｄ３３モード変形）。逆の極性の電圧が入力端子６１に印加されると、中心端子６１と、第２の入力部３３に結合された外側端子６２および４６との間に再び電位が存在する。この電位は、入力セラミック層６０および６５を厚さ方向で圧電的に伸張させる（すなわち、やはり層６０および６５の分極方向に平行なｄ３３モード変形）。
【００７３】
したがって、ＰＴ１の入力部３１および３３に所与の周波数で交流電圧を印加することによって、セラミック層５０と５５、および６０と６５は、印加された交流電圧の周波数で周期的に伸縮する（ｄ３３モード厚さ振動）。ｄ３３モードは、（ローゼンＰＴと同様の）ｄ３１モード振動と比べてはるかに効率の良い振動モードであるので、好ましい振動モードである。
【００７４】
ＰＴ１の入力部３１および３３のセラミック層５０と５５、および６０と６５が伸張するとき、入力部３１および３３は外側に進む。逆に、ＰＴ１の入力部３１および３３のセラミック層５０と５５、および６０と６５が収縮するとき、入力部３１および３３は内側に進む。入力部３１および３３のセラミック層５０と５５、および６０と６５に印加される電圧の極性が逆になると、セラミック層５０と５５、および６０と６５の伸縮方向もほぼ瞬時に逆になる。入力部３１および３３の並進運動方向は急速には変化しない。結合された質量ばね系と同様に、入力部３１および３３の運動量により、入力部３１および３３は、各入力部３１および３３を構成するセラミック層５０と５５、および６０と６５の伸縮方向と同じ方向に移動するように方向を変える前に、引き続き元の方向にさらに進む。
【００７５】
出力部３２が入力部３１および３３にしっかりと結合されているので、元の方向への入力部３１および３３の継続的な進行により、出力部３２が変形する、すなわちセラミック層４０および４５が伸張または収縮する。より具体的には、電圧極性が変化すると、入力層３１および３３が引き続き外側に進み、出力部３２の面を結合線５６および５８で外側に進めて、出力部３２の層４０および４５を伸張させる。印加電圧の極性が再び変化すると、入力層３１および３３は引き続き内側に進み、出力部３２の面を結合線５６および５８で内側に進めて、出力部３２の出力層４０および４５を圧縮させる。
【００７６】
したがって、入力部３１および３３の移動および方向の変化（振動）により、出力部３２の層４０および４５が厚さ方向で（慣性により）機械的に歪み、または変形し、入力部３１および３３に印加される電圧の駆動周波数で、またはその駆動周波数前後で振動する。したがって、入力部３１および３３のｄ３３モード厚さ振動が、出力部３２でのｇ３３モード厚さ振動を生じる。出力部３２のｇ３３振動（変形）は、電極１４１と１４２、および１４３と１４４にわたり、したがって出力部３２のセラミック層４０および４５にそれぞれ結合された端子４７と４８、および４７と４６にわたる交流電圧を圧電的に発生する。
【００７７】
再び図８を参照する。絶縁されたＰＴ３では、第１の極性の電圧が、それぞれ電極２５２と２５３、および２６２と２６３に接続された入力端子２５７および２６７に印加される。第１の極性のこの電圧が第１の入力端子２５７に印加されると、中心端子２５７と、第１の入力部２３１に結合された各外側端子２５６および２５８との間に電位が存在する。この電位が、第１の入力部２３１の入力セラミック層２５０および２５５を厚さ方向で圧電的に収縮させる（すなわち、層２５０および２５５の分極方向に平行なｄ３３モード変形）。逆の極性の電圧が入力端子２５７に印加されると、中心端子２５７と、第１の入力部２３１に結合された各外側端子２５６および２５８との間に再び電位が存在する。この電位は、入力セラミック層２５０および２５５を厚さ方向で圧電的に伸張させる（すなわち、やはり層２５０および２５５の分極方向に平行なｄ３３モード変形）。
【００７８】
同様に、第１の極性の電圧が第２の入力端子２６７に印加されると、中心端子２６７と、第２の入力部２３３に結合された各外側端子２６６および２６８との間に電位が存在する。この電位が、第２の入力部２３３の入力セラミック層２６０および２６５を厚さ方向で圧電的に収縮させる（すなわち、層２６０および２６５の分極方向に平行なｄ３３モード変形）。逆の極性の電圧が入力端子２６７に印加されると、中心端子２６７と、第２の入力部２３３に結合された外側端子２６６および２６８との間に再び電位が存在する。この電位は、入力セラミック層２６０および２６５を厚さ方向に圧電的に伸張させる（すなわち、やはり層２６０および２６５の分極方向に平行なｄ３３モード変形）。
【００７９】
したがって、ＰＴ３の入力部２３１および２３３に所与の周波数で交流電圧を印加することによって、セラミック層２５０と２５５、および２６０と２６５が、印加された交流電圧の周波数で周期的に伸縮する（ｄ３３モード厚さ振動）。ＰＴ３の入力部２３１および２３３のセラミック層２５０と２５５、および２６０と２６５が伸張するとき、入力部２３１および２３３は外側に進む。逆に、ＰＴ３の入力部２３１および２３３のセラミック層２５０と２５５、および２６０と２６５が収縮するとき、入力部２３１および２３３は内側に進む。図５および７のＰＴの動作と同様に、入力部２３１および２３３のセラミック層２５０と２５５、および２６０と２６５に印加される電圧の極性が逆になると、セラミック層２５０と２５５、および２６０と２６５の伸縮の方向もほぼ瞬時に逆になり、しかし、入力部２３１および２３３の並進運動方向は急速には変化しない。結合された質量ばね系と同様に、入力部２３１および２３３の運動量により、入力部２３１および２３３は、各入力部２３１および２３３を構成するセラミック層２５０と２５５、および２６０と２６５の伸縮方向と同じ方向に移動するように方向を変える前に、引き続き元の方向にさらに進む。
【００８０】
出力部２３２が、当該の絶縁層７０および７５を介して間接的に入力部２３１および２３３にしっかりと結合されているので、元の方向への入力部２３１および２３３の継続的な進行により、出力部２３２が変形させる、すなわちセラミック層２４０および２４５が伸張または収縮させる。より具体的には、電圧極性が変化すると、入力層２３１および２３３と、絶縁層７０および７５とが引き続き外側に進み、出力部２３２の面を結合線２７０および２７５で外側に進めて、出力部２３２の層２４０および２４５を伸張させる。印加電圧の極性が再び変化すると、入力層２３１および２３３と絶縁層７０および７５とが引き続き内側に進み、出力部２３２の面を結合線２７０および２７５で内側に進めて、出力部２３２の出力層２４０および２４５を圧縮させる。
【００８１】
したがって、入力部２３１および２３３の移動および方向の変化（振動）により、出力部２３２の層２４０および２４５が厚さ方向で（慣性により）機械的に歪み、または変形し、入力部２３１および２３３に印加される電圧の駆動周波数で、またはその駆動周波数前後で振動する。したがって、入力部２３１および２３３のｄ３３モード厚さ振動が、出力部２３２でのｇ３３モード厚さ振動を生じる。出力部２３２のｇ３３振動（変形）は、電極２４１と２４２、および２４３と２４４にわたり、したがって出力部２３２のセラミック層２４０および２４５にそれぞれ結合された端子２４７と２４８、および２４７と２４６にわたる交流電圧を圧電的に発生する。
【００８２】
各入力部２３１および２３３での２層のセラミック層の使用、および絶縁層７０および７５の使用は、ＰＴ３の質量および体積を増大させる。ＰＴ３の質量の増大および長さ増大はさらに、ＰＴ３の共振周波数を低下させ、その一方で利得および電力密度を増大させる。利得の増大は、追加された質量がデバイスの運動量を増大させることによるものである。この利得の増大は、より高い電力対体積比をもたらす。さらに、ＰＴ１の動作中に入力部２３１および２３３と出力部２３２との間の結合線２７０および２７５に最大圧縮および引張力が集中されて、より高い利得をもたらすことを保証するように、層２４０と２４５、２５０と２５５、２６０と２６５、および７０と７５の長さを選択することができる。
【００８３】
入力部３１および３３、または２１３および２３３に加えられる周波数は、ＰＴ１、２、または３の固有共振周波数に対応するように選択され、デバイスの出力の大きな変形、およびより高い利得が実現される。より具体的には、このＰＴ１、２、または３では、長手方向で、すなわち半径方向ではなくＰＴ１、２、および３の長さ全体に沿って、ＰＴの共振周波数に対応するように印加電圧の周波数が選択される。
【００８４】
本発明に係るＰＴ１、２、および３は、ＰＴの長手方向寸法、すなわち全てのセラミック、接着剤、および電極層（並びにＰＴ３では絶縁層）の厚さの合計に相当する寸法に対応する共振周波数を利用する。長手方向寸法での共振周波数は、ＰＴの幅または半径に沿った共振周波数よりも低い。ＰＴ１、２、および３は、その寸法での複合構造の異方性により、長手方向共振周波数を利用することができる。より具体的には、ＰＴ１、２、および３は、長手方向寸法、すなわち共振モードを決定する最大長を有する寸法でのそれぞれの層の材料特性の差により、振動軸に沿った異方性を有する。端子、接着剤、電極、およびセラミック層（並びに絶縁層）を交互にした構造を有することにより、複合構造は、振動軸に平行な長手方向寸法でばね定数を有する。この構成により、入力部３１および３３と出力部３２とが、ＰＴ１の長手方向寸法に沿った複合ばね定数を有する結合調波発振器として作用することができる。したがって、２つの入力部３１と３３、または２３１と２３３の間に出力部３２または２３２を有するこのＰＴの構成、並びに長手方向寸法でのＰＴの異方性により、このデバイスは長手方向共振周波数を使用して機能することができる。
【００８５】
このＰＴ１、２、および３の共振振動は、他の従来のＰＴの共振振動と異なる。厚さモードＰＴは厚さ寸法で振動し、しかしその共振周波数は、ＰＴ全体の長さではなくＰＴの個々の層の厚さによって制御される。典型的な厚さモードＰＴは、このＰＴと同じ長さには作成されない（すなわち、より少なく、より薄い層を有する）。これは、このデバイスと同数の層、または同じ厚さを有するように構成された厚さモードＰＴの効率が良くないためである。さらに、典型的な厚さモードＰＴは、そのデバイスの全体の厚さに対応する印加周波数の下で動作可能でなく、また効率的な理由でも動作可能でない。最後に、従来のＴＭＰＴは、２０〜８０程度の利得および１００ワットを超える電力を有する図５のＰＴ１など、このＰＴの利得および電力を示さない。
【００８６】
多層複合デバイスとしてのこのＰＴ構成はまた、典型的な厚さモードデバイスで存在するような、個々の層を分離する端子でのノードの発生をなくする。典型的な厚さモードデバイスは、各個別層の厚さに対応する共振周波数で各層が振動するときに、各電極で（振動を有さない）ノードを有する。このＰＴ１、２、および３の複合および異方性により、各電極でノードが発生せず、エネルギは、１つのセラミック層から、隣接電極、接着剤、端子、および絶縁層を介して別のセラミック層へ伝達される。したがって、ＰＴの層間、および層を介する振動エネルギの伝達が、ＰＴの共振周波数をＰＴの全長の共振周波数に対応させる。
【００８７】
ＰＴ１、２、および３の共振周波数は、（印加周波数の波長に関する）デバイスの長さだけでなく、デバイスの質量にも依存する。ＰＴの長さおよび質量の増大はさらに、デバイスの共振周波数を低下させる。また、入力部３１および３３、または２３１および２３３の長さおよび質量は、入力部と出力部の間にある結合線５６および５８、または２７０および２７５の周りに圧縮力および引張力を集中させながら、入力部３１および３３、または２３１および２３３と出力部３２または２３２との両方の運動量を増大させるように選択することができる。これらの圧縮力および引張力の増大はまた、ＰＴで実現される利得を増大させる。また、この設計は、デバイスが発生する熱（誘電損失を増大させる可能性がある熱）を低減させるより低い周波数でＰＴを動作させることによって、ＰＴの消散損失を低減する。また、ＰＴに関するより大きな質量がより大きな運動量を提供し、したがって、より高い電圧利得、およびより高い電力処理能力を発生する。
【００８８】
別の利点は、図８のＰＴ３において、機械エネルギが厚さ振動によって様々な層間で伝達されるので、絶縁層を任意の厚さに作成し、従来のデバイスよりもはるかに大きい絶縁を提供することができることである。すなわち、絶縁層のせん断応力による層の半径方向変形をこれらの層が伝達する能力は限られているので、半径方向デバイスの絶縁層の最大厚さは制限される。このＰＴ３では、伝達されるエネルギにより、せん断による減衰が存在せず、実際上全ての厚さ振動が、入力部２３１および２３３から出力部２３２へ伝達される。
【００８９】
上述の説明は多くの特異性を含むが、それらを本発明の範囲に対する限定と解釈すべきでなく、１つの好ましい実施形態の例と解釈すべきである。例えば以下のような多くの他の変形形態が可能である。
【００９０】
本発明に係る好ましい実施形態では、セラミック層が好ましくはＰＺＴセラミック材料から構成されているが、他の電気活性材料を代わりに使用することができる。
【００９１】
セラミック層は、圧電、強誘電性、または他の電気活性要素であってよい。
【００９２】
好ましくは入力部それぞれが２層のセラミックを備えるが、入力部はセラミック層を１層だけ備えていてもよく、多層構成であってもよい。
【００９３】
ＰＴの形状は円筒形またはスラブ形である必要はなく、多くの他の形状または構成が可能である。
【００９４】
入力および出力セラミック層の分極方向は中心電極に向かっている必要はなく、中心電極から離れるものであってもよい。
【００９５】
セラミック層は、イミド、樹脂、エポキシなど他の接着剤を使用して端子または電極に機械的に結合することができ、または例えばセラミックをメタライゼーション層に共焼成することによって化学的に結合することができる。
【００９６】
電極は他の金属または導電材料を備えていてもよく、導電エポキシ層などの接着剤を備えていてもよい。
【００９７】
高圧電極はＰＴの内部にある必要はなく、各層の中心電極である必要もなく、任意の層の外部電極を構成することもできる。
【００９８】
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せず、頭記の特許請求の範囲およびその法的な等価形態によって決定すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術における典型的なローゼン型圧電変圧器の部分概略斜視図である。
【図２】
従来技術におけるローゼン型圧電変圧器の別の例の斜視図である。
【図３】
従来技術における典型的な多層厚さモード振動圧電変圧器の斜視図である。
【図４】
従来技術における別の多層厚さモード振動圧電変圧器の斜視図である。
【図５】
円筒形状を有する本発明に係る圧電変圧器の一実施形態の斜視図である。
【図６】
長方形状を有し、好ましい電気接続を示す本発明に係る圧電変圧器の別の実施形態の斜視図である。
【図７】
様々な層の構成の詳細を示す変圧器の断面図である。
【図８】
絶縁層を使用し、好ましい電気接続を示す本発明に係る圧電変圧器の別の実施形態の斜視図である。
【図９】
様々な層の構成の詳細を示す図８の変圧器の線９−９に沿った断面図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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