(57)【要約】圧電トランスは、複数対の入力電極／出力電極を有し、これらの入力電極および出力電極は、圧電体上で、前記圧電体上に重ねた、共振状態の圧電体の振動モードに対応する波形を有する定常正弦波の周期位置に対応する位置に位置する。このトランスは、その入力領域と出力領域の間の寄生結合を軽減するために、接地ガード電極も有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの入力領域および少なくとも１つの出力領域を有する第１の圧電体と、
各対の入力領域と出力領域の間に位置しており前記領域の間から電荷がリークするのを実質的に防止する接地要素と、
を備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
請求項１記載の圧電トランスにおいて、前記入力領域および前記出力領域の上にそれぞれ入力電極および出力電極を更に備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】
請求項２記載の圧電トランスにおいて、前記圧電体は、上部主要面および底部主要面を有するプレートを備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項４】
請求項３記載の圧電トランスにおいて、前記入力電極および前記出力電極はそれぞれが圧電プレートの上部主要面および底部主要面上にそれぞれ配置された一対の電極要素を備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項５】
請求項４記載の圧電トランスにおいて、少なくとも１つの追加的な圧電プレートを更に備えており、プレート上の位置合わせされた電極が相互に結合されていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項６】
請求項４記載の圧電トランスにおいて、前記圧電体は、前記上面および前記底面と直交する一様な分極を有していることを特徴とする圧電トランス。
【請求項７】
請求項１記載の圧電トランスにおいて、前記接地要素は、前記圧電体の周囲の連続バンドとして配置された接地電極を備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項８】
請求項１記載の圧電トランスにおいて、前記出力領域の少なくとも１つにおいて複数の出力電極を更に備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項９】
圧電トランスであって、
少なくとも１つの入力領域および少なくとも１つの出力領域を有する圧電体を備えており、
前記入力領域および前記出力領域は交互に配列され、前記圧電体の中心に関してそれぞれ鏡面対称を形成していることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１０】
圧電トランスであって、
少なくとも１つの入力領域および少なくとも１つの出力領域を有する圧電体を備えており、
前記入力領域および前記出力領域は、前記圧電体に重畳されている定常正弦波の周期的位置に対応する前記圧電体上の位置に配置され、前記正弦波は、共振周波数における前記圧電体の振動モードに対応する波形を有していることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１１】
請求項１０記載の圧電トランスにおいて、各対の入力領域と出力領域の間に位置しており、前記領域の間から電荷がリークするのを実質的に防止する複数の電気的接地要素を更に備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１２】
請求項１０記載の圧電トランスにおいて、前記入力領域および前記出力領域の上にそれぞれ入力電極および出力電極を更に備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１３】
請求項１２記載の圧電トランスにおいて、前記圧電体は、上部主要面および底部主要面と前記面と直交する一様な極性とを有するプレートを備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１４】
請求項１３記載の圧電トランスにおいて、前記入力電極および前記出力電極はそれぞれが圧電プレートの上部主要面および底部主要面上にそれぞれ配置された一対の電極要素を備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１５】
請求項１４記載の圧電トランスにおいて、少なくとも１つの追加的な圧電プレートを更に備えており、プレート上の位置合わせされた電極が相互に結合されていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１６】
請求項１４記載の圧電トランスにおいて、面の上に配置された隣接する入力電極要素は面電極を接続することによって電気的に接続されていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１７】
請求項１０記載の圧電トランスにおいて、前記出力領域の少なくとも１つにおいて複数の出力電極を更に備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１８】
請求項１０記載の圧電トランスにおいて、前記圧電体は２つの入力領域の間に１つの出力領域を有していることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１９】
請求項１０記載の圧電トランスにおいて、前記圧電体は２つの入力領域の間に１つの出力領域を有していることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２０】
少なくとも１つの入力領域および１つの出力領域を有する圧電トランスを動作させる方法であって、
前記入力領域に電気的入力信号を印加するステップと、
前記出力領域から出力信号を得るステップと、
普通なら前記入力領域と前記出力領域の間に流れるはずのリーク電流を接地するステップとを含む方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法において、前記電流は、前記トランスの隣接する入力領域と出力領域との間で接地されていることを特徴とする方法。
【請求項２４】
電子システムであって、
電気で動作するデバイスと、
前記デバイスに電流を提供するように接続されており、少なくとも１つの入力領域および少なくとも１つの出力領域を有する圧電体を備えた圧電トランスと、
を備えており、前記入力領域および前記出力領域は、前記圧電体の上に重畳された定常正弦波における周期的位置に対応する前記圧電体上の位置に配置され、前記正弦波は、共振周波数において前記圧電体の振動モードに対応する波形を有することを特徴とする電子システム。
【請求項２５】
電子デバイスであって、
電気で動作するデバイスと、
前記デバイスに電流を提供するように前記デバイスに接続された圧電トランスと、
を備えており、前記圧電トランスは、
少なくとも１つの入力領域および少なくとも１つの出力領域を有する第１の圧電体と、
各対の入力領域と出力領域の間に位置しており、前記領域の間から電荷がリークするのを実質的に防止する接地要素と、
を備えていることを特徴とする電子システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、一般に圧電デバイスに関し、より詳細には、入力交流電流を供給される圧電トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
テレビのデフレクタや複写機の充電器など、高電圧を必要とするデバイスの内部電力回路で高電圧を発生させるために、巻線型電磁トランスが使用される。このようなトランスは、磁気コアに巻き付けた導体からなる。高い変圧比を実現するためには多くの巻き数が必要となるので、小型かつ薄型のトランスを製造することはきわめて困難である。
【０００３】
この問題に対処するために、圧電効果を利用した圧電トランスが開発されている。図１は、Ｏｈｎｉｓｈｉの米国特許第５８０６１５９号によるＲｏｓｅｎ型圧電トランスを示す図である。圧電材料のプレート１０２は、上側入力電圧１０４および下側入力電圧１０６を有し、これらが圧電プレート１０２の駆動または入力領域１０８を画定する。プレート１０２の残りの部分は、発電器または出力領域１１０となり、その端部に出力電極１１２を有する。入力領域１０８は、図に矢印１１４で示すように電極１０４および１０６に対して直角に分極され、出力領域１１０は、図に矢印１１６で示すように電極１１２に対して直角に分極される。
【０００４】
この圧電トランスは、以下のように動作する。外部リード線１１８および１２０から入力電極１０４と１０６の間に電圧が印加されると、分極方向に電界が強くなり、圧電横３１効果と呼ばれる、分極に直角な方向に変位した圧電効果によって、電極１０４および１０６に平行な横方向の長手方向振動が励起され、トランス全体を振動させる。さらに、出力領域１１０では、圧電効果により分極方向に機械的歪みが生じることによって分極方向に電位差が生じることにより、入力電圧と同じ周波数を有する電圧が出力電極１１２から外部リード線１２２に発生する。このとき、電圧の入力周波数を圧電トランスの共振周波数と等しくすれば、高い出力電圧を得ることができる。
【０００５】
この圧電トランスは、共振状態で使用される。通常の電磁トランスと比較すると、この圧電トランスは、例えば、１）巻線型構造が不要であり、エネルギー密度が高いために、小型かつ薄型の形状を達成できること、２）不燃性にすることができる可能性があること、３）電磁誘導ノイズがないこと、など、多くの利点を有する。さらに、Ｒｏｓｅｎ型圧電トランスはモノリシックであり、このことにより、高温での接合層の軟化による効率低下など接合に関する問題が生じないという点で、多層デバイスに優る利点を有する。
【０００６】
Ｒｏｓｅｎ型およびその他の型の従来の圧電トランスでは、（フーリエ変換ｆ０＋３ｆ０＋５ｆ０．．．＋ｎｆ０による連続した正弦波の高調波成分を有する）方形（矩形）波形入力で、基本周波数のみの正弦波形を有する出力が発生する。正弦波の立上り時間および立下り時間は方形波よりはるかに遅く、また、オフ状態とオン状態の間の移行中にはトランジスタ中でかなりの電力損失があるため、トランジスタスイッチをオフおよびオンに駆動する際には（ＤＣ−ＤＣパワーコンバータなど）素早い立上り時間および立下り時間が重要であるので、これは欠点となる可能性がある。
【０００７】
さらに、Ｒｏｓｅｎ型およびその他の従来の圧電トランスでは、入力領域と出力領域の間に寄生容量があるため、入力領域と出力領域が電気的に完全には分離されていない。
【０００８】
【発明の概要】
本発明は、方形波入力の基本周波数および第３次高調波周波数を通すことができ、寄生容量を低下させた、圧電トランスおよび動作方法を提供する。
【０００９】
この新しい圧電トランスは、その主要表面に対して直交する一様な極性を有する方形の薄い圧電プレートの形をした、モノリシックで平坦な構造を有する。入力電極および出力電極の対を、圧電プレートの上面および底面に形成する。このデバイスはモノリシックであるので、多層デバイスについて回る接合の問題（例えば接合の弾性など）は生じない。ただし、より大きな出力電流が望ましい場合には、トランス層を積み重ねることもできる。
【００１０】
３電極対の実施形態では、このデバイスは、方形波入力の基本周波数および第３次高調波周波数を通過させ、疑似方形波出力を生成することができる。疑似方形波は、真の方形波よりは若干遅いものの、正弦波よりははるかに速い立上り時間および立下り時間を有する。
【００１１】
本発明による圧電トランスは、さらに、いずれかの極性を有する分離した出力を複数発生させることができる。これは、ＭＯＳＦＥＴパワートランジスタの入力ゲートなどの容量性負荷を駆動するのにも、抵抗性または抵抗性／容量性回路などのその他の負荷を駆動するのにも適している。
【００１２】
寄生容量は、入力領域と出力領域の間のリーク電流を接地することによって最小化される。これは、接地ガード電極などの接地要素を、入力領域と出力領域の間に配置することによって達成することができる。モノリシックトランスでは、接地要素は、入力領域と出力領域の間で、圧電体の表面の周りの連続バンドとして配置された、薄い電極にすることができる。これにより、圧電材料の誘電率に左右されるのであるが、漂遊容量を１０分の１ないし２０分の１に低下させることができ、有効入出力結合容量を入力容量の１〜５％まで低下させることができる。
【００１３】
さらに、電磁トランスと比較すると、この新しい圧電トランスは、小型であり、製作が容易であり、低コストであり、磁気による干渉の影響を受けない。
【００１４】
【発明の実施の態様】
図２〜４は、本発明の様々な実施形態を示すために本明細書で構築ブロックとして使用される基本圧電トランス２００を示す図である。圧電トランスの様々な実施形態を示すこれらの及びその他の図面は、一定の比率で描かれたものではないことに留意されたい。
【００１５】
この圧電トランスは、セラミックまたは単結晶にすることができる圧電材料体２０２を含み、長さ２２６、厚さ２２８（通常は１ｍｍ以下）、および幅２３０を有する薄いプレートの形をしている。圧電プレート２０２の分極は、図２および図３に矢印２０４で示すように厚さ方向に配向されている。面積の等しい一対の入力電極２０６および２０８、ならびにやはり面積の等しい一対の出力電極２１２および２１４は、スパッタ堆積およびフォトリソグラフィなどの技術を使用して、プレート２０２の上部主要面および底部主要面に配置される。入力電極および出力電極は、プレートの上面および底面で同様の電極形状を有し、入力領域２１０および出力領域２１６をそれぞれ画定する。外部リード線２１８、２２０、２２２および２２４は、入力電極２０６および２０８ならびに出力電極２１２および２１４にそれぞれ接続される。
【００１６】
圧電プレートは、高電圧（厚さ１ｍｍの材料に対して約１０００から３０００ボルト）を印加されることによって一様な分極方向に分極される。これについては、Ｂ．Ｊａｆｆｅ、Ｗ．Ｒ．ＣｏｏｋおよびＨ．Ｊａｆｆｅによる「Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ」（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、Ｎ．Ｙ．、１９７１年）の１６ページを参照されたい。
【００１７】
入力電極２０６、２０８を介して入力領域の両端間に電圧２３２を印加することで、横方向の電気機械的結合定数ｋ３１によってデバイス内で横方向の内部応力が発生する。この応力は、デバイスの長さ２２６および圧電材料中の音速によって決まるデバイスの共振周波数で最大値に達する（Ｊａｆｆｅ、Ｃｏｏｋ、Ｊａｆｆｅの３０、３１ページ参照）。したがって、例えば、基本共振周波数での内部応力は、デバイスの長さの２倍に等しい波長を有する音響定常波からなる。その後、この内部応力が、出力電極において横方向結合定数ｋ３１で変換されて電荷に戻され、出力電極２１２と２１４の間に出力電圧２３４を生じる。（さらなる参考のためには、Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ、Ｓ．Ｐａｒｋｅｒ、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ、１９８４年、６２５〜６３０ページを参照のこと。）
開路の電圧利得は、次の式に従って、入力電極と出力電極の面積比、および圧電材料定数に応じて変化する。
【００１８】
【数１】
2004533708.tif 000002
ここで、ＶｏｕｔおよびＶｉｎはそれぞれ出力電圧および入力電圧であり、βは電極の幾何形状および入力電圧と出力電圧の面積比によって決まる比例定数であり、Ｑは共振時の材料のＱ値であり、ｋ３１は材料の横方向圧電結合定数である。通常は、βは、接点の面積が等しい場合には１に近い値となる。Ｑ値は１０００に到達することもあり、ほとんどの圧電材料ではｋ３１≦０．４である。開路デバイスには内部出力容量が装荷されているので、外部負荷容量を追加することにより、それに比例した量だけ負荷インピーダンスが低下し、したがってデバイスの電圧利得が低下する。容量性負荷を追加することにより、共振周波数が非常にわずかな量（通常は１〜２％）だけ変化するが、デバイスのＱはそれほど変化しない。
【００１９】
さらに、基本共振周波数は、圧電プレートの長さによって決まるが、その幅は任意の所望値にすることができる。幅は、通常は長さより長く、入力電極および出力電極の面積を最大にすることによって、デバイスの出力インピーダンスが最低になる。
【００２０】
図２〜４に示す基本圧電トランス、および図１に示すＲｏｓｅｎ型などの従来の圧電トランスは、正弦波の基本周波数のみを通すことができる。しかし、このデバイスは、圧電プレートの中心に関して対称な形状となる複数の入力および／または出力領域を有することにより、基本周波数の複数の高調波を通過させることができる。理論的には、単一の圧電プレート上に任意数の入力領域および出力領域を有することができる。図２〜４に示すように、これらの領域はそれぞれ、上側電極と下側電極の対によって画定される。
【００２１】
図５〜７は、３電極対幾何形状を有する圧電トランス５００を示す図である。これは、電極対が追加されていることを除けば、図２〜４に示す圧電トランスと同様である。図５〜７では、図２〜４の圧電材料体２０２と同様の圧電材料体５０２は、長さ５２６、厚さ５２８（通常は１ｍｍ以下）、および幅５３０を有する。圧電プレート５０２の分極は、図５および図６に矢印５０４で示すように厚さ方向に配向されている。面積のほぼ等しい２対の入力電極５０６および５０８と５１３および５１５は、プレート５０２の両端部で上面および底面に配置され、入力領域５１０および５１１を画定している。面積のほぼ等しい一対の出力電極５１２および５１４は、入力領域５１０と５１１の間でプレート５０２の上面および底面に配置され、出力領域５１６を画定する。プレートの上面および底面の電極の幾何形状は同様である。外部リード線５１８、５２０、５２２、５２４、５２３および５２５は、入力電極５０６、５０８、５１３および５１５ならびに出力電極５１２および５１４にそれぞれ接続される。入力領域は、その領域を画定している入力電極対の両端間に電圧５３２を印加することによって駆動される。各領域の両端間の電圧は、出力が最大となるように圧電プレート５０２の基本共振周波数に対応する同じ周波数を有し、したがって、２対の入力電極５０６および５０８と５１３および５１５とに共通の電源を設けることが好ましい。このような３電極対幾何形状であることにより、このデバイスは、方形波形を有する入力電圧５３２の基本周波数および第３次高調波を通過させて、疑似方形波形を有する出力電圧５３４を形成することができる。
【００２２】
また、中央の領域を入力とし、外側の２つの領域を２つの個別の出力として、疑似方形出力を得ることもできる。このデバイスを図２６に示す。同図において、５１２および５１４は、入力領域５１６を画定する入力電極であり、５０６および５０８ならびに５１３および５１５は、出力領域５１０および５１１を画定する２つの出力電極対である。外部入力リード線２６０２および２６０４は、このデバイスを駆動するための電源２６０６に接続される。さらに、外部出力リード線２６０８および２６１０と２６１２および２６１４とはそれぞれ、出力領域５１０および５１１のそれぞれの両端間で、２つの別個の出力２６１６および２６１８をもたらす。これらの出力領域を互いに接続して、有効出力電流を２倍にすることもできる。
【００２３】
図８は、基本周波数および第３次高調波周波数で構成された疑似方形出力波形８００のプロットであり、図９は、この疑似方形波形を、対応する正弦波形９００および純粋な方形波形９０２と比較した図である。発生した疑似方形波形は、純粋な方形波よりは遅いものの、正弦波よりははるかに速い立上り時間および立下り時間を有する。
【００２４】
したがって、疑似方形出力を発生するこの新しいデバイスは、より敏速にトランジスタスイッチをオフおよびオンに駆動することができ、またオフ状態とオン状態の間の移行中にはかなりの電力損失が発生するので、より効率的にトランジスタスイッチを駆動することができる。さらに、３電極対デバイスは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の入力ゲートなどの容量性負荷を駆動するのに理想的に適している。ＭＯＳＦＥＴがオフ出力導通状態からオン出力導通状態に移行する際に、ＭＯＳＦＥＴの入力容量は劇的に減少し、その後再度上昇する。最終的な結果として、この圧電トランスによってＭＯＳＦＥＴゲートが駆動されると、オフとオンの間の移行域においてＭＯＳＦＥＴの負荷容量が低下することにより、このトランスの疑似方形波出力の電圧遷移は加速される。ＭＯＳＦＥＴトランジスタだけでなく、３電極対デバイスは、抵抗性または抵抗性／容量性負荷など、その他の負荷を駆動することもできる。
【００２５】
出力波形は圧電体上の入力領域が対称であることの影響を受けるので、この３電極対デバイスでは、第３次高調波周波数および基本周波数を通過させる。図１０は、入力領域１００２、１００４および出力領域１００６を有する３電極対圧電プレート１０００と、このプレートの長さ１００８に沿って重ねた、圧電プレートの振動モードに対応する半周期の定常正弦波１０１０とを示す図である。図１１は、同じ圧電プレート１０００を、その長さに沿って重ねた３／２周期の第３次高調波の正弦波１１００とともに示す図である。これらの図面から分かるように、入力領域および出力領域の対称性は、第３次高調波および基本波の対称性に対応する。したがって、所望の出力の波形を重ね合わせて、それに対応する対称点で圧電体に入力電圧を印加することにより、その他の所望の波状出力を生成することも可能である。
【００２６】
図１２は、図５〜７の圧電トランスと同様であるが、ｎ個の電極対を有する、圧電トランス１２００を示す図である。ここで、ｎは２より大きい任意の数である。３電極対の実施形態の場合と同様に、入力領域と出力領域は交互になっている。したがって、第１の電極１２０２は、入力領域を画定することも、出力領域を画定することもある。また、同じ周波数の電圧が各入力電極に印加され、出力は、結合することも、分離しておくこともできる。
【００２７】
原理的には、本発明は任意数の高調波に拡張することができるが、セラミックＰＬＺＴ圧電体（米国特許第５５９５６７７号参照）上に５つの電極対を設けて行った実験では、測定可能ではあるが微弱な第５次高調波しか示さず、ニオブ酸ストロンチウムバリウム（ＳＢＮ）結晶圧電体を用いた実験では、ほとんど検出不可能な第５次高調波しか示さなかった。
【００２８】
この新しい圧電トランスの別の特徴は、ガード電極を用いて入力領域と出力領域の間の寄生容量結合を低下させることである。図１３は、図２〜４に示す２電極対デバイス２００を用いて、寄生結合の問題について説明する図である。使用する材料が誘電体であるので、入力領域２１０と出力領域２１６の間には、コンデンサ回路分岐１３００および１３０２を表す破線で示す容量性結合が存在する。この容量性結合により、図中に矢印１３０４で示すように入力電極と出力電極の間にリーク電流が生じ、入力と出力の間の完全な電気的分離が失われることになる。
【００２９】
寄生結合を軽減するために、２つの領域の間に位置する接地要素によって入力領域２１０と出力領域２１６の間の電流のリークを接地する。この接地要素は、入力領域と出力領域の間に位置する接地ガード電極であることが好ましい。図１４〜１６は、このような接地電極１４００を備えた図２〜４の圧電トランスの例を示す図である。電極１４００は、入力電極および出力電極と同じ材料にすることができ、圧電プレートの表面の周りの好ましくは１ｍｍ以下程度の幅を有する薄いバンドとして配置される。このバンドは、入力電極および出力電極に使用したプロセスと同じ堆積プロセスで堆積させることができ、入力領域２１０と出力領域２１６との間を分離する。電極１４００は、電気的接地（０ボルト）回路に接続することによって接地される。この接地電極は、通常は、漂遊容量の影響を１０分の１ないし２０分の１に低下させ、有効結合容量を入力容量の１〜５％（使用する材料の誘電率によって決まる）にまで低下させる。
【００３０】
ガード電極を備えることにより、ＭＯＳＦＥＴの入力間の寄生容量結合経路について考慮する必要がなくなるため、電子設計を大幅に簡略化することができる。ＭＯＳＦＥＴトランジスタなどの能動デバイスを駆動する場合には、ガード電極は、ＭＯＳＦＥＴとトランスへの入力源との間の、場合によっては望ましくない相互作用を最小限に抑えることができる。同様に、複数の圧電トランス出力によって駆動されるＭＯＳＦＥＴ間の結合相互作用も軽減することができる。
【００３１】
さらに、接地電極により、トランスの利得およびＱ値も改善されることが分かっている。
任意数の入力／出力領域を有する圧電トランスは、各領域の間にガード電極を有することができる。したがって、ｎ個の電極対を有する圧電トランスの場合には、ｎ−１個のガード電極が存在する。
【００３２】
図１７〜１９は、入力領域５１０および５１１と出力領域５１６との間で、圧電プレートの周りの薄いバンドとして配置された接地ガード電極１７００および１７０２を備えた、３電極対デバイスを示す図である。
【００３３】
単一の出力領域を、各出力領域で複数の電極対で画定され、互いに分離された複数の出力領域に分割することもできる。これは、任意数の入力／出力領域で行うことができる。図２０〜２２は、出力領域２１６の上面および底面に配置され、外部リード線２０１０および２０１２と２０１４および２０１６とを介して出力２０００および２００１に接続された２つの電極対２００２および２００６と２００４および２００８とによって画定された、２つの分離した出力２０００および２００１を備えた、図１４〜１６のデバイスを示す図である。ガード電極１４００から延びるガード電極２０１８は、分離した出力領域の間に位置する。上述のように、このデバイスは１つの入力領域２１０と１つの出力領域２１６とを有するので、このデバイスでは疑似方形出力を実現することはできず、出力は正弦波形を有することになる。
【００３４】
図２３から２５は、出力領域５１６の上面および底面に配置され、外部リード線２３１０および２３１２と２３１４および２３１６とを介して出力２３００および２３０１に接続された２つの電極対２３０２および２３０６と２３０４および２３０８とによって画定された、２つの分離した出力２３００および２３０１を備えた、図１７〜１９のデバイスを示す図である。ガード電極１７００、１７０２から延びるガード電極２３１８、２３２０は、分離した出力領域の間に位置する。このデバイスは２つの入力領域と１つの出力領域を有するので、分離された出力２３００、２３０１はそれぞれ疑似方形出力を有することになる。
【００３５】
別の複数出力構成を、図２６に示す。この図では、上述のように、中央領域が入力であり、２つの出力領域は分離出力である。
出力の極性は、入力の極性によって決まり、無負荷状態または容量性装荷状態では９０°位相シフトされている。このような分離出力は、同じ周波数で動作し、電子回路の様々な部分に接続することができる。これらの出力は、互いに１８０°位相をずらして接続することによって、反対の極性を持たせることができる。これは、２つの出力を反対極性にすることができるので、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータなど２出力デバイスの場合に特に有利である。このような複数の分離出力はまた、ＡＣ／ＤＣ変換回路またはＤＣ／ＤＣ変換回路においてＭＯＳＦＥＴスイッチングトランジスタを駆動するのに有用である。これらのデバイスは、ＡＣ入力の半周期ごとに一方のトランジスタをオフにし、他方のトランジスタをオンにして、ブリッジ構成で使用される。出力を複数に分離することができる圧電トランスは、両方の出力を全く同じ周波数で動作させながら、一方の出力の位相を他方の出力の位相から１８０°ずらして接続することができるので、この目的に非常に適している。さらに、疑似方形波形を出力することができるガード電極を有するトランスは、さらに上述のような利点をもたらす。
【００３６】
理論的には、図２０〜２５に示すように各出力領域をさらに分割する、かつ／または図１２および図２６に示すように入力領域および出力領域の数を増やすことによって、任意数の分離出力を得ることができる。複数出力構成は数多く考えられるが、出力数が２つまたは３つを超えてもそれほど興味深いものとなるかどうかは疑わしい。図２０〜２５では、幅に沿って出力領域を分割するものとして示したが、この領域を長さに沿って分割することも可能である。また、出力数を増やすと、個々の出力電極の面積は減少するので、各出力における有効電流もそれに比例した量だけ減少する。特定の構成を決定するその他の考慮事項としては、出力における望ましい電圧利得、与えられた出力負荷、デバイスの寸法、および入力電圧などがある。
【００３７】
電極の幾何形状は、多くの変形が可能である。図２７から２９は、このような変形の１つを示す。図５〜７の２つの入力領域５１０および５１６を表面を横切って接続し、２つの入力領域５１０および５１１を画定する連続した入力電極２７００および２７０２と、出力電極２７０４および２７０６とを上面および底面に形成している。したがって、入力領域５１０、５１１を駆動するための入力電圧２７１２に接続するために、２本の外部リード線２７０８、２７１０しか必要でない。
【００３８】
図３０〜３２は、入力電極と出力電極の間に位置するＵ字形の薄い電極の形状をした接地ガード電極が追加された、図２７〜２９の圧電トランスを示す図である。この実施形態のガード電極３０００は、圧電プレートの周りに連続的なバンドを形成するのではなく、該プレートの３つの側面を覆う、出力電極の周囲を囲むループを形成する。
【００３９】
図２７〜２９による３電極対デバイスの実際のモデルの一例は以下の通りである。
材料：ＰＬＺＴ−９（Ｒｏｃｋｗｅｌｌ、米国特許第５５９５６７７号）
長さ：１２ｍｍ
幅：４０ｍｍ
厚さ：０．５ｍｍ
電極：金（スパッタ堆積）
共振周波数ｆ０：１５５．０ｋＨｚ＊
出力電圧利得（無負荷）：９．２７
入力抵抗：１８．９オーム＊（共振周波数ｆ０）
共振時Ｑ：６４．６
最大出力電圧：１２０ボルト（ピークピーク値）＊
全ての電気的パラメータは使用する材料によって決まる。アステリスク（＊）付きのパラメータは、デバイスの寸法にもよる。
【００４０】
単層方形デバイスは好ましい実施形態であるが、本発明は、同心円状の電極リングを備えた円形デバイスなど、その他の構成も含む。ただし、この場合、デバイスの直径が基本動作周波数ｆ０に反比例するので、有効な出力電流の量（入力電極および出力電極の面積に比例する）は制限される。方形デバイスでは、デバイスの長さだけはｆ０に反比例するが、幅を長さの何倍にも大きくすることによって、出力電流を大きくすることができる。方形デバイスのもう１つの利点は、一般的な半導体加工機器を用いて高い精度で切断することが非常に容易であることである。したがって、加工を高速かつ安価にすることができる。
【００４１】
薄く長いデバイスの代わりに、複数の層、好ましくは互いに接合された薄い方形プレートでトランスを実施し、有効出力電流を大きくすることができる。図３３は、このような多層デバイス３３００を示す図である。この図では図５〜７のデバイスの圧電層を示しているが、本発明によるその他の単層デバイスはいずれも、複数層で実施することができる。望ましい出力によって決まるが、任意数の層を使用することができる。最上層の上部電極および最下層の底部電極を除いて、連続した隣接する層の上部電極と底部電極とは、電気的に接続することが望ましい。この図では、第１の圧電層３３０２の３つの底部電極が第２の圧電層３３０４の３つの上部電極と接合され、第２の層３３０４の３つの底部電極が第３の層３３０６の３つの上部電極と接合され、これが第ｎの層３３１０まで続き、第ｎの層の３つの上部電極は第ｎ−１の層３３０８の３つの底部電極と接合されている。さらに、これらの層は、矢印３３２２、３３２４、３３２６、３３２８、３３３０で示すように、極性が交互になる形で整列され、接合された電極どうしが同じ極性を有するようになっている。
【００４２】
これらの層は、導電性エポキシ層で接合することも、あるいは非導電性エポキシで接合し、その後導電性材料で電気的に接続することもできる。これは、きわめて薄い相互接続線を用いて電極を圧電層の縁部まで引き出すことによって実施することができる。電極に使用したものと同じ金属をこれに使用することもできる。
【００４３】
このデバイスは、入力領域５１０、５１１のそれぞれに、各層の上部入力電極および底部入力電極を介して電圧３３１２を印加することによって駆動される。これらの入力および出力は全て、互いに並列に接続することができる。さらに、これらの層は、ガード電極を有することができる。
【００４４】
多層デバイスは、長さが１〜２ｍｍしかない１ＭＨｚまでの範囲で動作する高周波デバイスに好ましい実施形態となるであろう。
本発明の特定の例について図示および説明したが、多数の変形形態および代替実施形態を当業者なら思いつくであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来のＲｏｓｅｎ型圧電トランスの斜視図である。
【図２】
本発明による基本圧電トランスの斜視図である。
【図３】
図２の圧電トランスの断面図である。
【図４】
図２の圧電トランスの上面図である。
【図５】
３電極対幾何形状を有する、本発明による圧電トランスの斜視図である。
【図６】
図５の圧電トランスの断面図である。
【図７】
図５の圧電トランスの上面図である。
【図８】
本発明で実現することができる、基本周波数および第３次高調波周波数で構成された疑似方形出力波形のプロットである。
【図９】
図８の疑似方形波形を、正弦波形および純粋な方形波形の両方と比較するプロットである。
【図１０】
３つの電極対を有する圧電プレートに、正弦定常波を重ねて示す図である。
【図１１】
図１０の圧電プレートに、第３次高調波の正弦定常波を重ねて示す図である。
【図１２】
ｎ個の電極対を有する、本発明による圧電トランスの断面図である。
【図１３】
寄生結合を示す、図１２の圧電トランスの断面図である。
【図１４】
ガード電極が追加された、図２の圧電トランスの斜視図である。
【図１５】
図１４の圧電トランスの断面図である。
【図１６】
図１４の圧電トランスの上面図である。
【図１７】
ガード電圧が追加された、図５の圧電トランスの斜視図である。
【図１８】
図１７の圧電トランスの断面図である。
【図１９】
図１７の圧電トランスの上面図である。
【図２０】
複数の分離された出力を有する、図１４の圧電トランスの斜視図である、
【図２１】
図２０の圧電トランスの上面図である。
【図２２】
図２０の圧電トランスの底面図である。
【図２３】
複数の分離された出力を有する、図１７の圧電トランスの斜視図である、
【図２４】
図２３の圧電トランスの上面図である。
【図２５】
図２３の圧電トランスの底面図である。
【図２６】
３電極対幾何形状を有し、かつ中央入力領域を有する、本発明による圧電トランスの断面図である。
【図２７】
外側入力領域を接続する連続電極を備えた、３つの領域を有する圧電トランスの斜視図である。
【図２８】
図２７の圧電トランスの上面図である。
【図２９】
図２７の圧電トランスの底面図である。
【図３０】
ガード電極が追加された、図２７の圧電トランスの斜視図である。
【図３１】
図３０の圧電トランスの上面図である。
【図３２】
図３０の圧電トランスの底面図である。
【図３３】
本発明による多層圧電トランスの断面図である。
【図１０】
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【図１１】
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【図３３】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成14年7月16日(2002.7.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電トランスであって、
対向し平行な第１及び第２の主要面と長さとを有し、交互に配列された入力領域と出力領域とを含み前記長さに沿って離間した３つの領域に分割され、前記長さ全体に沿って前記主要面と垂直な方向に分極している圧電体と、
前記３つの領域のそれぞれの前記第１及び第２の主要面をそれぞれ被覆する第１及び第２の電極と、
を備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項２】
請求項１記載の圧電トランスにおいて、
前記対向し平行な主要面と接している電気的ガード要素であって、隣接する領域の間に配置されており、電荷が前記隣接する領域の間でリークすることを実質的に防止する電気的ガード要素を含んでいることを特徴とする圧電トランス。
【請求項３】
請求項２記載の圧電トランスにおいて、
前記電気的ガード要素は前記圧電体の周囲の連続的なバンドの形状を有しており、前記連続的なバンドは前記圧電体の長さを横断する方向を向いていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項４】
請求項１記載の圧電トランスにおいて、
前記圧電体は矩形の圧電プレートを備え、前記圧電プレートは当該圧電プレート自体の長さに対して横断方向であって対向し平行な端部を含み、前記矩形プレートは前記対向し横断方向の端部の中間に横断方向の中心線を有し、前記３つの領域は前記横断方向の中心線の周囲に対称的に配置され、前記３つの領域は１対の端部領域の間に対称的に位置決めされた中心領域を含み、前記１対の端部領域の一方の主要面を被覆する前記第１及び第２の電極は、相互に等しい面積を有しており、また、前記１対の端部領域の他方の主要面を被覆する前記第１及び第２の電極の面積と等しい面積を有していることを特徴とする圧電トランス。
【請求項５】
請求項４記載の圧電トランスにおいて、
前記中心領域は入力領域を含み、前記１対の端部領域は出力領域を含むことを特徴とする圧電トランス。
【請求項６】
請求項４記載の圧電トランスにおいて、
前記中心領域は出力領域を含み、前記１対の端部領域は入力領域を含むことを特徴とする圧電トランス。
【請求項７】
請求項４記載の圧電トランスにおいて、
前記第１の矩形圧電プレートと関連する電極とに幾何学的に同一である矩形圧電プレートと関連する電極という形態を有する第２の圧電体を含んでおり、前記第２の矩形圧電プレートは前記第１の矩形圧電プレートの上に重畳されており、前記第１の矩形圧電プレートの主要面の１つの上の前記電極は前記第２の矩形圧電プレートの主要面の１つの上の対応する電極に結合されていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項８】
請求項１記載の圧電トランスにおいて、
少なくとも１つの出力領域を含んでおり、前記少なくとも１つの出力領域とその関連する第１及び第２の電極とは、複数の再分割され離間した出力領域と関連する電極とに更に分割されることを特徴とする圧電トランス。
【請求項９】
請求項８記載の圧電トランスにおいて、
前記圧電体の前記対向し平行な主要面と接する電気的ガード要素であって、隣接する領域と隣接する再分割された領域との間のそれぞれのスペースに配置されており、前記隣接する領域と前記隣接する再分割された領域との間で電荷がリークすることを実質的に防止する電気的ガード要素を含むことを特徴とする圧電トランス。
【請求項１０】
請求項１記載の圧電トランスにおいて、
前記入力領域電極は前記出力領域電極から電気的に分離されていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１１】
請求項１記載の圧電トランスにおいて、
矩形電圧波形を有する入力信号をこの圧電トランスに印加することにより、前記入力信号の基本周波数と３次高調波周波数とを少なくとも含む擬似矩形電圧波形を有する出力信号が発生することを特徴とする圧電トランス。
【請求項１２】
圧電トランスであって、
第１及び第２の対向し平行な主要面と長さと前記長さに対して横断方向であり対向し平行な端部と前記対向し横断方向の端部の中間にある横断方向の中心線とを有する矩形圧電プレートであって、前記長さに沿って離間した３つの領域に分割されており、前記３つの領域は前記横断方向の中心線の周囲に対称的に配置され、前記３つの領域は１対の端部領域の間に対称的に位置決めされた中心領域を含み、このプレートの全体の長さに沿っており前記主要面に垂直な方向に一様に分極している矩形圧電プレートと、
前記３つの領域のそれぞれの前記第１及び第２の主要面をそれぞれ被覆する第１及び第２の平坦な電極であって、前記１対の端部領域の一方の前記主要面を被覆する前記第１及び第２の平坦な電極は、相互に等しい面積を有し、また、前記１対の端部領域の他方の前記主要面を被覆する前記第１及び第２の平坦な電極の面積と等しい面積を有しており、矩形電圧波形を有する入力信号をこの圧電トランスに印加することにより、前記入力信号の基本周波数と３次高調波周波数とを少なくとも含む擬似矩形電圧波形を有する出力信号が発生する、第１及び第２の平坦な電極と、
隣接する領域の間のそれぞれのスペースにおいて前記矩形圧電プレートと接しており、前記隣接する領域の間で電荷がリークすることを実質的に防止する電気的ガード要素であって、前記矩形圧電プレートの周囲にあり横断方向を向いている連続バンドの形態を有する電気的ガード要素と、
を備えていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１３】
請求項１２記載の圧電トランスにおいて、
前記入力領域電極は前記出力領域電極から電気的に分離されていることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１４】
請求項１２記載の圧電トランスにおいて、
前記中心領域は入力領域を含み、前記１対の端部領域は出力領域を含むことを特徴とする圧電トランス。
【請求項１５】
請求項１２記載の圧電トランスにおいて、
前記中心領域は出力領域を含み、前記１対の端部領域は入力領域を含むことを特徴とする圧電トランス。
【請求項１６】
請求項１２記載の圧電トランスにおいて、
少なくとも１つの出力領域を含んでおり、前記少なくとも１つの出力領域とその関連する第１及び第２の平坦な電極とは、複数の再分割され離間した出力領域と関連する電極とに更に分割されることを特徴とする圧電トランス。
【請求項１７】
請求項１６記載の圧電トランスにおいて、
前記矩形圧電プレートの前記対向し平行な主要面と接する電気的ガード要素であって、隣接する領域と隣接する再分割された領域との間のそれぞれのスペースに配置されており、前記隣接する領域と前記隣接する再分割された領域との間で電荷がリークすることを実質的に防止する電気的ガード要素を含むことを特徴とする圧電トランス。
【請求項１８】
請求項１２記載の圧電トランスにおいて、
前記第１の矩形圧電プレートと関連する平坦な電極とに幾何学的に同一である第２の矩形圧電プレートと関連する平坦な電極とを含んでおり、前記第２の矩形圧電プレートは前記第１の矩形圧電プレートの上に重畳されており、前記第１の矩形圧電プレートの主要面の１つの上の前記電極は前記第２の矩形圧電プレートの主要面の１つの上の対応する電極に結合されていることを特徴とする圧電トランス。
【国際調査報告】
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