(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１入力電極と、
出力電極と、
前記第１入力電極と前記出力電極との間に位置する第２入力電極と、
前記第１入力電極と前記第２入力電極との間に位置する共通電極と、
前記第１入力電極と前記共通電極との間に位置する第１強誘電材料層と、
前記第２入力電極と前記共通電極との間に位置する第２強誘電材料層と、
前記第２入力電極と前記出力電極との間に位置する第３強誘電材料層と、を有し、
前記第１強誘電材料層の分極軸と前記第２強誘電材料層の分極軸と前記第３強誘電材料層の分極軸とが等しく、前記第１強誘電材料層と前記第２強誘電材料層と前記第３強誘電材料層とが前記第１強誘電材料層の分極軸と前記第２強誘電材料層の分極軸と前記第３強誘電材料層の分極軸とに沿ってクランプされており、
前記第１強誘電材料層が第１駆動ユニットを構成し、前記第２強誘電材料層が第２駆動ユニットを構成し、前記第３強誘電材料層が検知ユニットを構成するものであり、前記第１駆動ユニットと前記第２駆動ユニットが同一のものである、
ことを特徴とする比較器。
【請求項２】
請求項１に記載の比較器において、
前記第１強誘電材料層が圧電セラミックスを含む、
ことを特徴とする比較器。
【請求項３】
第１入力電極と、
出力電極と、
前記第１入力電極と前記出力電極との間に位置する第２入力電極と、
前記第１入力電極と前記第２入力電極との間に位置する共通電極と、
前記第１入力電極と前記共通電極との間に位置する第１圧電材料層と、
前記第２入力電極と前記共通電極との間に位置する第２圧電材料層と、
前記第２入力電極と前記出力電極との間に位置する第３圧電材料層と、を有し、
前記第１圧電材料層の分極軸と前記第２圧電材料層の分極軸と前記第３圧電材料層の分極軸とが等しく、前記第１圧電材料層と前記第２圧電材料層と前記第３圧電材料層とが前記第１圧電材料層の分極軸と前記第２圧電材料層の分極軸と前記第３圧電材料層の分極軸とに沿ってクランプされており、
前記第１圧電材料層が第１駆動ユニットを構成し、前記第２圧電材料層が第２駆動ユニットを構成し、前記第３圧電材料層が検知ユニットを構成するものであり、前記第１駆動ユニットと前記第２駆動ユニットが同一のものである、
ことを特徴とする比較器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は構造体内部に圧電材料が使用されてなる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
圧電材料は交流電界が付与されると収縮しかつ伸長することは周知である。他方、このような材料が交番ひずみを受けると電界が誘導される。この効果は周知の多くの装置で用いられている。
【０００３】
圧電材料の使用範囲を他の装置の組立にまで広げることが望まれており、本発明はかかる背景に対してなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る比較器の一態様は、第１入力電極と、出力電極と、前記第１入力電極と前記出力電極との間に位置する第２入力電極と、前記第１入力電極と前記第２入力電極との間に位置する共通電極と、前記第１入力電極と前記共通電極との間に位置する第１強誘電材料層と、前記第２入力電極と前記共通電極との間に位置する第２強誘電材料層と、前記第２入力電極と前記出力電極との間に位置する第３強誘電材料層と、を有し、前記第１強誘電材料層の分極軸と前記第２強誘電材料層の分極軸と前記第３強誘電材料層の分極軸とが等しく、前記第１強誘電材料層と前記第２強誘電材料層と前記第３強誘電材料層とが前記第１強誘電材料層の分極軸と前記第２強誘電材料層の分極軸と前記第３強誘電材料層の分極軸とに沿ってクランプされており、前記第１強誘電材料層が第１駆動ユニットを構成し、前記第２強誘電材料層が第２駆動ユニットを構成し、前記第３強誘電材料層が検知ユニットを構成するものであり、前記第１駆動ユニットと前記第２駆動ユニットが同一のものである、ことを特徴とする。
また、本発明に係る比較器の他の態様は、第１入力電極と、出力電極と、前記第１入力電極と前記出力電極との間に位置する第２入力電極と、前記第１入力電極と前記第２入力電極との間に位置する共通電極と、前記第１入力電極と前記共通電極との間に位置する第１圧電材料層と、前記第２入力電極と前記共通電極との間に位置する第２圧電材料層と、前記第２入力電極と前記出力電極との間に位置する第３圧電材料層と、を有し、前記第１圧電材料層の分極軸と前記第２圧電材料層の分極軸と前記第３圧電材料層の分極軸とが等しく、前記第１圧電材料層と前記第２圧電材料層と前記第３圧電材料層とが前記第１圧電材料層の分極軸と前記第２圧電材料層の分極軸と前記第３圧電材料層の分極軸とに沿ってクランプされており、前記第１圧電材料層が第１駆動ユニットを構成し、前記第２圧電材料層が第２駆動ユニットを構成し、前記第３圧電材料層が検知ユニットを構成するものであり、前記第１駆動ユニットと前記第２駆動ユニットが同一のものである、ことを特徴とするものであってもよい。
本発明によれば、圧電材料からなる層及び強誘電体材料からなる層を有している。これらの層は、一の層に印加された電圧により他の層に電圧が生じるように互いにクランプ（clampled together）される。
【０００５】
二つの圧電材料が互いにクランプされた状態でそのうちの一方に電圧が印加されると、他方の圧電材料から誘電電圧を測定することができる。印加された電圧の率は上記二つの材料からなる圧電特性に依存し、あるいはさらにサンプルの形態に関係する場合もある。圧電式の増幅器／変換器はこのように二層に形成された圧電材料を用いて実現できる。セラミック圧電材料では、ひずみと、対応する電界とは同相となる。
【０００６】
強誘電体材料は圧電材料のうちの一組である。強誘電体材料は、非揮発性、及び（通常、特定の結晶軸に対して）双安定内部分極を示す。分極状態は、材料の対向面間に電圧を印加することによって確立される。材料に内部分極を生ずるのに充分な大きさの電圧が印加されると、分極の方向を定めることが可能となる。この操作は、特定の方向に分極を生じさせるよう電圧を付与する操作を含む。分極が既に所要の方向となっているのであれば電荷の交換は不要である。しかし、分極が反対方向に生じている場合には、特定方向の分極を確立するために比較的多量の電荷交換が必要である。従って、所定の分極を確立するのに必要な電荷交換のレベルが高いか低い（ゼロ）かによって、それ以前の分極方向を判断することができる。
【０００７】
本願発明は、分極された強誘電体材料は、その分極に対して（該強誘電体材料の保磁力よりもかなり小さい）弱い場を平行に又は非平行にそれぞれ印加された際に伸長又は収縮する、との知見に基づいている。従って、分極軸に沿って誘導されたひずみは、その分極方向に応じて、印加された外部ＡＣによる場に対し同相あるいは位相外れのものとなる。ひずみ又は電界は圧電効果における主要な駆動力となり得、かつそれらは一次近似に関して線形な関係をもっている。このことから、本願発明では、分極された強誘電材料の誘導電界の位相は分極方向によって制御できるとの知見を得た。
【０００８】
本願発明のコンセプトは、増幅器／変換器、インバータ、及び比較器等の類似した装置を含む各装置のレンジの実現にとって有益であることが分かった。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、添付の図面を参照した実施形態により詳細に説明する。
本発明の第一の実施形態は増幅器／変換器を構成するもので、図１にその構造を示す。
【００１０】
駆動ユニットとしては分極された強誘電材料の層を用いることができ、かつ外層に対して電界を入力信号として印加する。誘導されたひずみは分極された強誘電体材料からなる別の層、すなわち検知ユニットの上にまで至る。これは二次電界を誘導し、出力信号を提供する。この出力の増幅の度合いは使用されている材料の特性に依存し、一方、該信号の位相は上記二つの材料における分極方向の配列によって制御される。このような装置は、出力信号の位相の制御に特に優れた増幅器又は変換器として作用する。
【００１１】
そのような増幅器／変換器を実現する一つの構造は、図１に示すように、これら二つのユニットを分極軸に沿って一緒にクランプすることによるものである。これらのユニットの順序は重要ではない。
【００１２】
ここで、εri，ｄ33,i，及びｄiをそれぞれ、材料ｉの誘電率、圧電係数、及び厚さとする。この材料ｉのひずみＳ3,iは単純に、Ｓ3,i＝Ｄ33,iＥ3,iであり、ここに、Ｅ3,iは対応する電界成分であり、かつ、このひずみは、Ｔ3,i＝Ｓ3,i／Ｓ33,iである。下付き表示の３は、関係している変数が軸３、すなわち分極軸に沿った成分であることを示している。
【００１３】
図１に示した装置の性能はハードウォールクランピング条件の下で、次の二つの極限において評価することができる。（１）圧縮性極限：圧縮性極限では、前記強誘電体材料を圧縮性のものとみなし、常に（ｄ1＋ｄ2＝一定）とされる。（２）非圧縮性極限：非圧縮性極限では、前記強誘電体材料を非圧縮性のものとみなし、Ｔ3,1を前記材料ｉ内の応力とするとき、Ｔ3,1＋Ｔ3,2＝０である。実際の装置はこれら二つの極限の間で機能するものとなる。
【００１４】
前記圧縮性極限では、Δ（ｄ1＋ｄ2）＝Δｄ1＋Δｄ2＝０となり、所定の電界で誘導された厚さの変化は、
0004158354.tif 000002
ここで、符号＋／−は、前記Ｅiが分極方向に対して平行か非平行かによって選択される。従って、出力信号は次のようになる。
【数１】
0004158354.tif 000003
ここで、符号＋／−は、領域１と２の間で、入力信号及び出力信号が平行／非平行分極に対応して同相／位相外れであるかを示している。この増幅器／変換器の利得はｄ33,1／ｄ33,2である。
【００１５】
上記の非圧縮性極限では、Ｔ3,1＋Ｔ3,2＝０、かつＴ3,1＝−ｅ33,1Ｅ3,i≒−ｅ33,iＶi／ｄi（０）となり、ここで、ｅ33,iは別の圧電定数である。
【００１６】
出力電圧は次のようになる。
【数２】
0004158354.tif 000004
ここでも、符号は領域１及び２の間の平行／非平行分極にそれぞれ対応したものであり、この場合の該装置の利得はｅ33,iｄ2（０）／ｅ33,2ｄi（０）となる。
【００１７】
既に示唆した圧電型の増幅器／変換器の分析と比較すると、（上記した二つの極限の他に）以下のことが明らかである。
Ｔ3,i＝ｃ33,iＳ3,I＝±ｃ33,i＝ｄ33,iＥ3,i
ここで、ｃ33,iは材料ｉの弾剛性である。
【００１８】
E3,I≒Ｖi／ｄi（０）であるので、出力は以下の式で表される。
【数３】
0004158354.tif 000005
【００１９】
含まれる唯一の成分を近似するため、ｅ33,i＝ｄ33,iｃ33,iとなり、式３は非圧縮性極限から得られる式２と同じであることが解かる。これと同じ近似を用いると、ｃ33,iを得られる。１／ｓ33,iは弾性コンプライアンス係数であり、以下の式を得る。
【数４】
0004158354.tif 000006
【００２０】
上述の第一の実施形態の変形はインバータのためのものである。すなわち、当の材料の特性及び形状・寸法は、増幅器の利得が均一であって該装置が平行分極の形態をとるインバータとして働くよう、選ばれる。
【００２１】
本発明の他の実施形態は比較器を構成するものである。同一なる二つの駆動ユニットと一つの検知ユニットとを上記同様に一緒にクランプすると、図２に示すような比較器を構成することが可能となる。入力信号及び出力信号をお互いに参照しないものであるなら、これらのユニットの順序も重要なものではない。あるいは、図２に示したような構成を採るべきである。また、特殊な状況では、互いに同一でない駆動ユニットを用いることも可能である。
【００２２】
この比較器の性能は、上記説明した第一実施形態のものと同じ方法で分析することができる。二つの極限において、二つの駆動ユニット間に何等の干渉も生じないと仮定すれば、（１）Σｄ1＝一定、（２）（Ｔ3,11＋Ｔ3,12）＋Ｔ3,2＝０
である。この仮定は比較器のための下記の結果に影響する。
【００２３】
第一のケースでは、ΣΔｄ1＝０であるため、
【数５】
0004158354.tif 000007
ここで、符号は印加された電界が対応する分極に対して平行であるか非平行であるかを示している。
【００２４】
同様に、第二のケースでは、以下の式となる。
【数６】
0004158354.tif 000008
【００２５】
駆動ユニット内の分極方向を非平行／平行とすることによって、同相／位相外れにあるときに、二つの入力信号が同じレベルに達するので該装置の出力がゼロにまで減少することを見て取れる。
【００２６】
上記において、各装置は、一定の温度において作動しているものとして仮定しており、かつパイロ電気効果については考慮していない。さらに、電界Ｅ、ひずみＳ、及び応力Ｔの間の関係を単純化している。概して、これらは、Ｅ＋βＳ＋γＴ＝０の一次式で関係付けられる。さらなる分析及び説明は、圧電材料に関する標準的なテキストに詳しい。
【００２７】
クランプを用いることは別として、クランプ自体は、該装置の両側に対して、厚い材料からなる（基板のような）二つのピースを用いることによって実現できる。このような材料の慣性は、高速の入力信号又は入力パルスが関連している場合には特に効果が影響すると考えられるある種のクランプのように機能する。
【００２８】
前記駆動ユニットと検知ユニットとを直接に一緒にクランプする必要はない。両者は互いに分離することができ、かつ非圧縮性の固形物又は液体によって接続することができる。この場合、該装置は、これらが互いに直接的にクランプされた場合と同様に作動できるものとなる。
【００２９】
前記比較器のための前記検知ユニットには圧電セラミックスを用いることができ、この場合、式５及び式６におけるＶ２の前に付く符号は存在しない。また、図２に示した二つのユニットの何れか一方について、強誘電材料の代わりに圧電セラミックスを用いることができる。その場合、式１及び式２における符号は変えられる。
【００３０】
図１に示した共通電極は、入力信号及び出力信号の双方のための共通接地として用いることもできる。あるいは、一方のユニットのみを接地電極として用い、対応する信号が他方のユニット上を浮動するようにすることもできる。例えば、出力信号は入力信号上を浮動することができる。同様なことは前記比較器についても言える。
【００３１】
該装置のスケールが音波の波長に対して非常に小さい限り、以上説明したクランプされた装置は外乱からの影響をほとんど受けないものでなければならない。圧電作動中の内部の相対変位はフォノン（音響量子）の光学的モードから類推することができ、一方、外乱（例えば振動）は、本発明による装置の出力に対して非常に小さい衝撃を持つべき音響モードから類推することができる。
【００３２】
上記説明は飽くまで単なる例示であり、当業者であれば、本発明の技術的範囲から逸脱することなく種々の変更が可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第一の実施形態による増幅器／変換器の構造を示す概略図である。
【図２】  本発明の別の実施形態による比較器の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
ｄ1，ｄ2  厚さ寸法
Ｖ1，Ｖ2，Ｖ11，Ｖ12  電圧
【図１】
0004158354.tif 000009
【図２】
0004158354.tif 000010