JP2018535544A

JP2018535544A - 圧電トランス

Info

Publication number: JP2018535544A
Application number: JP2018517766A
Authority: JP
Inventors: ミヒャエルヴァイルグニ，; フランツリナー，
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2036-09-23
Also published as: WO2017060104A1; JP6577667B2; EP3360170A1; KR20180105116A; DE102015117106A1; US20180287043A1; KR102087021B1; CN108140719A; EP3360170B1; US11227989B2; CN108140719B

Abstract

本発明は、長さＬの所定の長さ寸法を有する１つの圧電素子を備える圧電トランスに関し、この長さ寸法に沿ってこのトランスの少なくとも１つの入力側と少なくとも１つの出力側とが規定されており、入力電圧Ｕ_ｉｎが印加されて、昇圧比Ｕ_ｏｕｔ／Ｕ_ｉｎ＝Ｋ_ｕに従って出力電圧Ｕ_ｏｕｔに変換される。この圧電素子は、複数の内部電極のシートを備え、これらは上記の長さ寸法の方向に対して垂直な方向において異なる層に配設されている。前記内部電極の各々のシートが、上記の長さ寸法の少なくとも１つの所定の部分に渡って延在し、そしてこの部分の上記の第１のグループの層のシートのセグメントとこの部分の上記の第２のグループの層のシートのセグメントとが異なる寸法を備えることにより、この圧電トランスは、Ｃ_ｉｎ≦Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔの条件を満足する。Ｃ_ｉｎは、入力キャパシタンス、Ｃ_ｏｕｔは出力キャパシタンス、Ｎは理想的なトランスの昇圧比を表している。
【選択図】図３

Description

本発明は、長さＬの所定の長さ寸法を有する１つの圧電素子を備える１つの圧電トランスに関し、この長さ寸法に沿ってこのトランスの少なくとも１つの入力側と少なくとも１つの出力側とが規定されている。この入力側には入力電圧Ｕ_ｉｎを印加することができ、昇圧比Ｕ_ｏｕｔ／Ｕ_ｉｎ＝Ｋ_ｕに従ってこの出力側での出力電圧Ｕ_ｏｕｔに変換される。ここでこの圧電素子は、複数の内部電極のシートを備え、これらの内部電極のシートは上記の長さ寸法の方向に対して垂直な方向において複数の異なる層に配設されている。

このような圧電トランスは、電圧変換用に多様に使用されている。このような圧電トランスの最大効率は、上記の出力側での負荷が上記の圧電トランスの出力キャパシタンス（上記の出力側での適宜メタライジングされている領域と上記の内部電極(複数）との間の電気的キャパシタンス）のインピーダンスに相当する場合に、特定の共鳴周波数で達成される。従来の圧電トランスでは、入力インピーダンスは、この最大効率近傍の所定の領域においてキャパシタンス的な特性を示す。こうしてこのトランスの入力電力は、この領域において無効電力成分を含んでいる。

従来の方法では、この圧電トランスの駆動におけるキャパシタンス的な入力特性の補償のために１つの直列インダクタンスが設けられる。しかしながら、この駆動におけるこの圧電トランスの入力キャパシタンス（入力側での内部電極の層（複数）と上記の圧電基板との間の電気的キャパシタンス）と、この直列インダクタンスとの間のエネルギーの移し替えは、損失無しでは行われない。さらにこれらの内部電極の有限の電気伝導率は、このデバイスの発熱をもたらす。

もう１つの方法は、この圧電トランスを、その入力インピーダンスが純粋なオーミック抵抗となるように、上記の最大効率領域の外側で駆動することである。しかしながらこの最大効率領域の外側では、上記の圧電素子における損失もまた大きくなる。

したがって本発明の課題は、圧電トランスの上記の入力インピーダンスの無効電力成分を極小化あるいは全く抑圧し、このデバイスにおける電気的損失が極小となるように、そしてなおこのトランスが最大の可能な効率で駆動することができるようにすることである。

この課題は、最初に説明したような圧電トランスを用いることによって、内部電極の各々のシートが、上記の長さ寸法の少なくとも１つの所定の部分に渡って延在することによって、そして当該部分の第１のグループの層のシート（セグメント）と当該部分の第２のグループの層のシート（セグメント）とが異なる寸法を有することによって解決され、こうしてこの圧電トランスは、以下の条件を満足している。
Ｃ_ｉｎ≦Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔ
ここでＣ_ｉｎは、入力キャパシタンス、Ｃ_ｏｕｔは出力キャパシタンスであり、そしてＮは理想的なトランスの昇圧比を表す。

上記の条件は、この圧電トランスの等価回路図に示すものに対応している。このような等価回路図が図５に示されている。この等価回路図は、ここで説明するような圧電トランスを、従来使用されている、回路技術的に簡略化した記載で示すものである。入力側には、入力電圧Ｕ_ｉｎが印加され、そして出力側には出力電圧Ｕ_ｏｕｔが印加される。この入力側には上記の入力キャパシタンスＣ_ｉｎが形成されており、そして出力側には上記の出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔが形成されている。上記の圧電基板の伝送特性および結合特性を表す等価回路図の他のパラメータＲ_１，Ｃ_１，およびＬ_１の他に、この等価回路図には、出力側に対する入力側の昇圧比１：Ｎ（あるいは入力側に対する出力側の昇圧比＝Ｎ）を有する１つの理想的なトランスによる昇圧が示されている。

従来の構成のトランスに対して、ここで説明するような圧電トランスの利点は、このトランスの入力インピーダンスが、任意の抵抗性負荷および容量性負荷において、それぞれ最大の可能な効率において、純粋にオーミック抵抗であり、そしてこれに応じてほんの無視できる程度の無効電力成分を含むことである。この特性は、上記の圧電トランスが、上述したように、Ｃ_ｉｎ≦Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔの条件を満足することによって達成される。この条件は、適合した内部電極（複数）の電極構成によりこの圧電トランスの入力キャパシタンスを小さくすることによって満足され、一方同時に上記の昇圧比は大きく変化されないままとなる。上記の圧電素子における、第２のグループの層の内部電極（複数）の上記のシート（複数）のセグメントに対する、第１のグループの層の内部電極（複数）の上記のシート（複数）のセグメントの異なる寸法によって、特にこの圧電トランスの入力キャパシタンスＣ_ｉｎの出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔへの比例関係を変化させることができる。

具体的には、上記の第１のグループの層のシート（複数）のセグメントは、上記の第２のグループの層のセグメントのシートより小さい寸法となっていてよい。この第１のグループの層のシートは、これらが従来の電極構成に対して、上記の第１のグループの層のセグメントのシートを縮小し、これに対応して上記の入力キャパシタンスが小さくされることによって、この入力キャパシタンスに影響を与える。

こうして上記の第２のグループの層のシート（複数）のセグメントが上記の第１のグループの層のシート（複数）のセグメントより大きくスケーリングされることで、この第２のグループの層のシートは、上記の圧電トランスの出力側に関するキャパシタンス、すなわちこのトランスの出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔを電気物理的に決定する。上記の第１のグループの層のセグメントのシートに対する上記の第２のグループの層のセグメントのシートの適切なスケーリングによって、こうして上記の出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔは変化することなく、あるいはむしろ従来の圧電トランスにおける電極構成と比較して、さらに大きくすることができる。

要約すれば、第２のグループの内部電極の層のセグメントのシートに対して異なる、第１のグループの内部電極の層のセグメントのシートのスケーリングおよび寸法によって、入力キャパシタンスＣ_ｉｎが出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔに昇圧比Ｎの二乗を掛けたもの以下となるようにして上記の条件を満たすことを達成することができる。既に説明したように、以上により圧電トランスの純粋なオーミック入力インピーダンスを実現することができ、ここでこの圧電トランスは、その出力側での異なる負荷に対し、その入力側に無効電力をまったく有しない。

１つの実施形態においては、上記の圧電トランスはローゼン型トランスとして構成されている。この圧電素子はたとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）から構成されている。上記の内部電極（複数）はたとえば銀−パラジウムまたは銅から製造されている。適合した多層構造で製造された圧電素子では、たとえば５０の層がこの圧電素子の上記の長さ寸法の方向に対し垂直な方向に積層されていてよく、ここでこれらの層の特定のもの（あるいは全て）においてそれぞれの電極の層のシートが形成されている。この圧電素子は、たとえばこの圧電素子が長さＬの特定の長さ寸法、幅Ｂの特定の幅寸法、そして高さＨの特定の高さ寸法を備える。ここで長さＬのこの長さ寸法は、この圧電素子の主寸法を表す。またこの圧電素子は、幅よりも長さが大きく、そして高さよりも長さが大きくなっている。

１つの実施形態によれば、上記の圧電素子は、その入力側では上記の長さ寸法に対して垂直な方向で分極されており、そしてその出力側では上記の長さ寸法の方向に分極されている。これは、この圧電トランスがその入力側でいわゆる３１モード（横方向モード）で駆動され、そしてその出力側でいわゆる３３モード（長手方向モード）で駆動されることを意味し、ここでこの圧電素子は、その入力側で分極方向に電界を印加した際に、上記の長さ寸法の方向に横方向の動きを行う。この動きはこの圧電素子における電荷キャリアの移動をもたらし、上記の長さ寸法の方向において、すなわち長手方向において、今度は電圧を生成し、この電圧はこの圧電トランスの出力電圧Ｕ_ｏｕｔとしてその出力側に印加される。

１つの実施形態においては、上記の圧電素子の入力側は、上記の長さ寸法の０から１／２Ｌまでの領域に形成されており、ここでこの圧電素子の出力側は、上記の長さ寸法の１／２ＬからＬまでの領域に形成されている。

本出願で開示されている圧電トランスの上述の有利な特性の実現は、従来の圧電トランスの最大効率におけるキャパシタンス特性が、この圧電トランスの入力を３１モードを駆動し、そしてその出力を３３モードで駆動することで確立されるという考察に基づいている。これは、この入力側での圧電定数ｄ_３１が、この出力側での圧電定数ｄ_３３より小さくなっていることを意味し、ここで入力の有効結合係数ｋ_{ｅｆｆ，ｉｎ}は、出力の有効結合係数ｋ_{ｅｆｆ，ｏｕｔ}より小さくなっている。電気的に考えると、これは従来の構造の圧電トランスでは、上記の入力キャパシタンスＣ_ｉｎが常に、上記の出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔに昇圧比Ｎの二乗を掛けたものより大きくなることを意味している。この圧電トランスの特性をこれに対応する等価回路図を用いて分析して考えれば、このトランスの動作の際に上記の出力負荷Ｒ_Ｌが、以下のように数学的に記述することができる所定の効率領域内にある場合に、このトランスの入力インピーダンスが容量性になることが分る。この効率領域は、数学的には以下のように記述することができる。
Ｒ_{Ｌ，ｅｆｆ}／ｋ＜Ｒ_Ｌ＜Ｒ_{Ｌ，ｅｆｆ}・ｋ
ここで

となっている。

この従来の圧電トランスの特性は、図１からも明らかである。図１は、まず従来の圧電トランスの効率の特性曲線Ｉを示しており、この特性曲線は出力での規格化された負荷（Ｒ_ＬωＣ_ｏｕｔ）に対し、入力と出力の有効電力の比（Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎ）として規定されている。さらに図１は、もう１つの特性曲線ＩＩを示し、この特性曲線は、皮相入力電力Ｓ_ｉｎの値に対する出力有効電力Ｐ_ｏｕｔの関係を表している。図１から見てとれるように、特性曲線ＩＩは１／ｋ＜Ｒ_ＬωＣ_ｏｕｔ＜ｋの領域において、２つの外縁極大部（垂直方向のマーキング参照）からＲ_ＬωＣ_ｏｕｔ＝１の１つの局所的な最小値に低下する。上記で示した領域においては、従来の圧電トランスの入力インピーダンスは、無効電力を決定するキャパシタンス成分を有する。こうして皮相入力電力Ｓ_ｉｎの値に対する出力有効電力Ｐ_ｏｕｔは、この無効電力成分のために、対称的にＲ_ＬωＣ_ｏｕｔ＝１に向かって低下する。この点では、この無効電力は、上記の入力インピーダンスのキャパシタンス的な振舞いが最大となるため、こうして有効電力の効率Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎはここで最小となっている。

ここで本発明は、上記のＣ_ｉｎ≦Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔの関係が、その一次近似において、圧電定数の比ｄ_３３／ｄ_３１に依存するという知見を利用している。適合した電極設計により、Ｃ_ｉｎ＝Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔの条件に達することで、上述のこの領域の分析的な記述では、図１からも分るように、これはｋに対してはｋ＝１と表される条件を達成することで、上記の入力キャパシタンスが低減されることを達成することができる。これはＣ_ｉｎ≦Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔの条件下では、上記の図１に示す領域は消滅することを意味している。ここで挙げた条件下では、これより圧電トランスの入力インピーダンスは最大効率で純粋にオーミックとなり、そしてまた入力電力の無効電力を生じかねないキャパシタンス成分を全く含むことがない。さらに入力側での上記の圧電定数ｄ_３１は、この条件下で出力側での圧電定数ｄ_３３より大きくなっている。これは、入力側での有効結合係数ｋ_{ｅｆｆ，ｉｎ}も，出力側での有効結合係数ｋ_{ｅｆｆ，ｏｕｔ}よりも大きくなっていることを意味している。

既に説明した上記の知見および上述した圧電素子の様々な層における内部電極の異なるスケーリングに基づいて、上記の入力インピーダンスは、トランスの出力での任意の抵抗性または容量性負荷で、それぞれ最大効率で純粋にオーミックとなるようにスケーリングすることができ、これよりこの入力インピーダンスは無効電力成分を全く含まない。この利点は、駆動の際には従来の直列インダクタンスを省略することができ、そしてこの結果圧電トランスと駆動回路とからなるシステムの全体効率を高くすることができるということにある。もう１つの利点は、出力での任意の負荷で最大の効率に制御することを簡単に実現することができるということである。上記の純粋にオーミックな入力インピーダンスのおかげで、最大効率での入力インピーダンスの位相角は、常にφ＝０°となっており、これより入力電流および入力電圧の時間変化は常に一致している。このようにして、圧電トランスの制御を容易に継続することができ、ここでは、出力に印加される負荷に対応した効率のよいＰ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎを最大値に制御するように周波数制御を行うだけである。理想的には、出力負荷が上記の圧電トランスの出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔのインピーダンスに相当する場合は、この最大効率は、上記の圧電素子の共鳴周波数のところにある。

圧電トランスの制御の１つの例は、非熱大気圧プラズマの生成のようなアプリケーションである。この場合には、非誘導性、すなわち抵抗性および／または容量性と見做されるこの圧電トランスの出力での負荷は、このプラズマが担っている。ここでまたこのプラズマは大気、あるいは用いられている作業ガスの特性に依存するので、このプラズマによってもたらされる負荷は原理的に可変である。このような可変な負荷は、この圧電トランスでの入力電流および入力電圧の時間変化の位相差に影響し得るが、しかしながらその周波数は、この位相差がφ＝０°となるように、比較的容易に再調整することができる。以上により最大効率への制御は容易に設計することができる。

有利には、上記の本発明のような圧電トランスの駆動は、正弦波形状の入力電圧信号によって行われる。この正弦波形状の入力電圧信号は、たとえば高周波数のパルス幅変調（ＰＷＭ）のスイッチング信号によって生成することができる。

上述のような圧電トランスの１つの実施形態においては、上記の第１のグループの層は上記の第２のグループの層と交互になっている。これは、上記の長さ寸法に関して１つの第１の構成による内部電極（複数）の１つのシートを有する１つの層と、上記の長さ寸法に関して１つの第２の構成による内部電極（複数）の１つのシートを備える１つの層とが、それぞれこの圧電素子での積層の方向において交互になっていることを意味している。このようにして、この圧電素子の積層方向に沿って、異なる寸法を有する内部電極（複数）のシートの均一な分布を実現することができる。

本圧電トランスの１つの実施形態によれば、上記の第１のグループの層の内部電極のシート（複数）は、それぞれ上記の長さ寸法の＞０かつ≦（１／２）・Ｌの領域における第１の位置と第２の位置との間に延在しており、ここでこの第１の位置とこの第２の位置との間のそれぞれの上記のセグメントは、上記の長さ寸法の（１／４）・Ｌの長さを有する。このような第１のグループの層の内部電極のシート（複数）のスケーリングでは、上記の圧電トランスの入力キャパシタンスＣ_ｉｎが、上記の条件Ｃ_ｉｎ≦Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔを満たすように、充分小さくスケーリングされ得ることが判明した。

本圧電トランスの１つの実施形態においては、上記の第１のグループの層の内部電極のシート（複数）は、それぞれ上記の第１の位置と上記の第２の位置との間で、上記の長さ寸法の（１／４）・Ｌの位置に対して対称に延在している。このような上記の長さ寸法の（１／４）・Ｌの位置に対して対称な内部電極のシート（複数）の構成体とするのは、電気機械的な理由がある。周期的な入力電圧信号を用いたこの圧電トランスの動作では、このトランスでは、基本周波数に対して第２高調波の振動の横方向の振動が励起され得る。この際、この圧電素子に沿って、２つの節点が上記の長さ寸法の（１／４）・Ｌおよび（３／４）・Ｌに設定される。これらの位置においては以上のように、この圧電素子での機械的な変形作用が全く発生しない（またはほんの無視できる程度発生する）。さらに電気エネルギーのこの圧電素子への結合作用がこれらの点で最適となる。上記の長さ寸法０≦（１／２）・Ｌの領域におけるこの圧電素子の入力側に着目すると、上記の長さ寸法の（１／４）・Ｌでの位置は、上記の第１の層のグループの内部電極（複数）のシートの形成に最適な対称点となっている。

本圧電トランスの１つの実施形態においては、上記の第２のグループの層の内部電極のシート（複数）は、それぞれ上記の長さ寸法の＞０かつ≦（１／２）・Ｌの領域における第１の位置と第２の位置との間に延在しており、ここでこの第１の位置とこの第２の位置との間のそれぞれの上記のセグメントは、上記の長さ寸法の＞（１／４）・Ｌかつ＜（１／２）・Ｌの長さを有する。このような第２のグループの層の内部電極のシート（複数）の構成は、出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔが小さくならないという利点を有する。上記の第１の層のグループの内部電極のシート（複数）と協働して、こうして、上述したように上記の条件Ｃ_ｉｎ≦Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔを非常に良好に達成することができる。

さらに加えて、上記の第２のグループの層の内部電極のシート（複数）は、１つの実施形態においては、それぞれ追加的に、上記の長さ寸法の≧（７／８）・Ｌかつ≦Ｌの領域における第３の位置と第４の位置との間の部分において、延在してもよい。

本圧電トランスの１つの代替の実施形態によれば、上記の第２のグループの層の内部電極のシート（複数）は、それぞれ上記の長さ寸法の＞０かつ≦（３／４）・Ｌの領域における第１の位置と第２の位置との間に延在しており、ここでこの第１の位置とこの第２の位置との間のそれぞれの上記のセグメントは、上記の長さ寸法の≧（３／８）・Ｌかつ＜（３／４）・Ｌの長さとなっている。

上記の最後に述べた代替の実施形態によって、上記の出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔを大きくすることができ、これによって同様に上記の条件Ｃ_ｉｎ≦Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔを満たすことができる。

以下では、複数の図を参照して、本発明を詳細に説明する。
従来技術の圧電トランスの出力側での１つの規格化された負荷に対する電力特性曲線を示す。従来技術の圧電トランスの部分的な層構造の概略図を示す。本発明の１つの実施形態による圧電トランスの部分的な層構造の概略図を示す。本発明の１つの第２の実施形態による圧電トランスの部分的な層構造の概略図を示す。従来使用されていた、１つの圧電トランスの等価回路図を示す。

図１は既に上記で詳述したが、図５に示す等価回路図の圧電トランスのものである。

図２は、従来技術の圧電トランスの部分的な層構造の概略図を示す。このトランスは、長さＬの１つの所定の長さ寸法を有する１つの圧電素子１を備え、この長さは左側（長さ＝０）から右側（長さ＝Ｌ）で規定される。この圧電素子１は、１つの入力側２ならびに１つの出力側３を備える。この出力側３の外側の端部は、たとえばメタライジング化されていてよく、そして１つの出力電極を形成することができる。入力側２は、この圧電素子１の左側まで、上記の長さ寸法の０〜（１／２）・Ｌの領域において延在している。出力側３は、この圧電素子１の右側まで、上記の長さ寸法の（１／２）・Ｌ〜Ｌの領域において延在している。

この圧電素子１は、多層構造で実装されており、ここで図２には複数の層Ｓ１，Ｓ２，およびＳ３が示されており、これらは上記の長さ寸法の方向と垂直な方向に積み上げられている。より分りやすくするために、これらの層Ｓ１〜Ｓ３は、互いに分離されて示されているが、ただし完成したデバイスにおいては、これらは積層方向に重なり合って積層されており、そして圧電素子１を形成するためにしっかりと結合されている。これは製造方法に応じて、たとえば１つの特別な焼結処理で行われる。この圧電素子１は、たとえば１つのＰＺＴ化合物から形成されている。

各々の層Ｓ１〜Ｓ３上には、それぞれ内部電極の１つのシート４ａ，４ｂ，および４ｃが取り付けられており、これらは圧電素子１の入力側の＞０から＜（１／２）・Ｌの領域における第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２との間に延在している。これらの内部電極のシート４ａ，４ｂ，および４ｃは、側部でこの圧電素子１の側面に交互に配設されており、側部の外部接続部（複数）Ｋ１を介して、入力側の電圧源に電気的に接続されている。このようにしてこれらの内部電極のシート４ａ〜４ｃに電圧を印加することができ、こうしてこの圧電素子１を駆動することができ、そしてこれによってこの圧電トランスを駆動することができる。動作の際には、この圧電素子１は、入力側の正弦波状の交流電圧Ｕ_ｉｎを用いて励振され、これによって上記の長さ寸法に沿って横方向の波が形成される。この結果、この圧電素子１の出力側３には、出力電圧Ｕ_ｏｕｔが形成され、ここで所定の昇圧比Ｕ_ｏｕｔ／Ｕ_ｉｎ＝Ｋ_ｕに従って、上記の入力電圧Ｕ_ｉｎは、この出力電圧Ｕ_ｏｕｔに変換される。この出力電圧Ｕ_ｏｕｔは、この圧電素子１の出力側３の第２の外部接続部を介して取り出されるか、または特定の他の機能に用いられる。たとえばこの圧電素子１は、プラズマ生成のために非熱大気圧プラズマを点火するために使用される圧電トランスとして用いることができる。この圧電素子１の出力側３での非常に高い出力電圧Ｕ_ｏｕｔのために、以上のようにして大気圧下での非熱プラズマを生成することができる。この出力側での高い電界強度のために、所定の作業ガスをイオン化することができ、こうして作業ガスのプラズマが生成する。

図２に部分的な層構造を示す圧電トランスは、従来の構造を示すものである。この圧電トランスの動作特性は、ほぼ図１に示す電力特性曲線ＩおよびＩＩに対応し、これらの特性は、上記で既に説明されているがここでこれらの特性を参照する。図２に示す圧電トランスは、図１に示す規格化された出力負荷の特徴的領域において、その入力側２での入力インピーダンスがキャパシタンス的な振舞いを示す。このようにしてこの入力側には無効電力成分が発生し、この無効電力成分は損失電力となる。

図３は、図２による圧電トランスに対して改善された特性を有する、本発明の第１の実施形態による１つの圧電トランスの部分的な層構造の概略図を示す。図３に示すトランスでも、例示的に１つの圧電素子１の３つの層Ｓ１〜Ｓ３が、それぞれ対応して取り付けられている内部電極の層４ａ〜４ｂと共に示されている。図３においては、これらの内部電極も同様に圧電素子１の入力側２に配設されている。

図２に示す構造と異なり、この圧電素子１は、２つのグループの層（複数）を備え、これらのグループの層は上記の長さ寸法に関して内部電極（複数）のシートの上記のセグメントの寸法が異なっており、そして、積層構造の方向で交互に配設されている。第１のグループの層Ｓ１およびＳ３では、内部電極のシート４ａおよび４ｃの上記のセグメントが上記の長さ寸法に沿って、層Ｓ２で示されている第２のグループの層のものよりも短くスケーリングされており、この層Ｓ２では、ここに示す内部電極のシート４ｂの上記のセグメントが上記の長さ寸法に関して長くスケーリングされている。当然ではあるが、図３は層構造の一部のみとなっている。ここに示すシート４ｂを有する層Ｓ２の他に、それぞれ対応するシート４ｂを有するさらなるシート（複数）Ｓ２が存在している。

上記の第１のグループの層Ｓ１およびＳ２のシート４ａおよび４ｃの上記のセグメントが上記の第２のグループの層Ｓ２のシート４ｂの上記のセグメントと異なる寸法を備えることにより、図３に示す圧電トランスは、条件Ｃ_ｉｎ≦Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔを満たす。ここでＣ_ｉｎは入力キャパシタンスであり、Ｃ_ｏｕｔは出力キャパシタンスであり、そしてＮは図５に示す等価回路図に基づいた理想的なトランスの入力側と出力側との昇圧比である。図３に示すトランスは、従来のトランスに対して、その入力インピーダンスが上述の条件のおかげで純粋にオーミックとなっており、そしてキャパシタンス成分が全く無いかあるいはほんの無視できる程度であるという利点を有する。このようにしてこのトランスの入力側での入力電力は実電力となり、そして無効電力を全く含まない。以上により、周期的な入力電圧および入力電流の時間変化も一致し、これより最大の効率での位相ずれが常にφ＝０°となる。したがって図３に示す圧電トランスは、とりわけ損失が少なく、そしてたとえば従来の駆動回路における直列インダクタンスのような、追加のデバイスを全く必要としない。

さらに図３に示す圧電トランスの駆動部は、非常に簡単に構成することができる。これは出力側３に存在する負荷に依存して最大効率に制御されなければならないだけであるからであり、このトランスの入力側２での入力電圧と入力電流との間の負荷依存の位相ずれを考慮する必要がないからである。出力側の負荷は、たとえばこのトランスをプラズマ生成用に使用するように可変に構成することができ、ここでこのプラズマは、使用される作業ガスあるいはここで述べた大気の関係から様々な特性を有し得る。

具体的には、図３に示す実施形態においては、上記の層Ｓ１およびＳ３に示す内部電極のシート４ａおよび４ｃは、これらが第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２との間で上記の長さ寸法の（１／４）・Ｌの位置に対して対称的に延在しており、そして長さ（１／４）・Ｌを有する１つのセグメントとなるようにスケーリングされている。これはこの第１の位置Ｐ１が（１／８）・Ｌにあり、一方この位置Ｐ２は（３／８）・Ｌにあることを意味している。これらの層Ｓ１およびＳ３における内部電極の長さのスケーリングのために、この圧電トランスの入力キャパシタンスＣ_ｉｎは比較的小さくスケーリングすることができる。いずれの場合にも、図３に示すこれらの層Ｓ１およびＳ３における内部電極のシート４ａおよび４ｃは、図２に示すトランスにおける層Ｓ１およびＳ３の内部電極のシート４ａおよび４ｃより顕著に小さくスケーリングされている。

さらに、（１／４）・Ｌの位置に対し対称的に、これらの層Ｓ１およびＳ３における内部電極のシート４ａおよび４ｃを配設することは、このトランスの（１／４）・Ｌおよび（３／４）・Ｌでのノード点を有する高調波の動作で、（１／４）・Ｌでの機械的負荷が極小となり、そして同時にこの位置で電気エネルギーを圧電素子１へ結合するための極めて優れた結合特性が存在するという利点を有する。

さらに、図３における層Ｓ２の内部電極のシート４ｂは、（１／８）・Ｌでの第１の位置Ｐ１と、（１／２）・Ｌでの第２の位置Ｐ２との間に延在しているようにスケーリングされている。以上のようにこの層Ｓ２の内部電極は、（３／８）・Ｌの長さを有する１つのセグメントとなる。このようなスケーリングのために、図３に示す圧電トランスの出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔは、実質的に図２に示すトランスの出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔのように振る舞う。図３に示すこれらの層Ｓ１，Ｓ２，およびＳ３における内部電極のシート４ａ，４ｂ，および４ｃのスケーリングのおかげで、このトランスはＣ_ｉｎ≦Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔの条件を満たすことが達成される。

図４は、本発明の１つの第２の実施形態による圧電トランスの部分的な層構造の概略図を示す。この層構造は、層Ｓ２における内部電極のシート４ｂが第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２との間のセグメントとなることで、図３の層構造と異なっており、ここでこの第１の位置は（１／８）・Ｌに配設されており、そしてこの位置Ｐ２は＞（１／２）・Ｌの領域に配設されており、こうしてこの内部電極は（１／２）・Ｌを越えて右側に突出している。たとえばこの内部電極のシート４ｂは、≧（３／８）・Ｌかつ＜（３／４）・Ｌの長さとなる。

図４に示す層構造は、上記とは別に層Ｓ２における内部電極のシート４ｂが、≧（７／８）・Ｌかつ≦Ｌの領域における第３の位置Ｐ３と第４の位置Ｐ４との間の第２のセグメントに延在していることで、図３の層構造とは異なっている。出力側３での追加の電極面の設置のおかげで、層Ｓ２はこのトランスの出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔを増大することができ、これによってまた上記の条件Ｃ_ｉｎ≦Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔも満たすことができる。

図３および図４に示す実施形態を組み合わせることも可能であり、ここで層Ｓ２の内部電極のシート４ｂは、図３の実施形態に対応して左側でスケーリングされていてよく、そして右側には出力側３に図４の実施形態による追加のセグメントを備えてよい。上記で説明したような一般的に表された領域内での他のスケーリングも当然ながら同様に可能である。

また一般的に、電極設計および／またはそれぞれ対応するシート４ａ，４ｂ，４ｃを有する層Ｓ１，Ｓ２，およびＳ３の分布も、積層方向で変化することが可能である。ここで内部電極を全く備えない中間層（複数）を導入することも可能である。重要なことは、繰り返して説明した上記の出力キャパシタンスＣ_ｏｕｔに対する入力キャパシタンスＣ_ｉｎの比の条件を満たすために、第１のグループの層のシート（複数）のセグメント（複数）と第２のグループの層のシート（複数）のセグメント（複数）とが、圧電素子１の上記の長さ寸法に関して異なる寸法を備えることである。たとえば図３に示す層Ｓ２の内部電極のシート４ｂは、上記の長さ寸法の（３／８）・Ｌ〜（１／２）・Ｌの長さとなっていてよい。一般的に図３および図４に示す実施形態の多様な組み合わせの方式、構成、また変形も可能である。

上記の実施形態は単に例示的に選択されたものである。

１：圧電素子
２：入力側
３：出力側
４ａ，４ｂ，４ｃ：内部電極のシート
Ｋ１，Ｋ２：外部接続部
Ｌ：長さ
Ｐ１：１つのセグメントの第１の位置
Ｐ２：１つのセグメントの第２の位置
Ｐ３：１つのセグメントの第３の位置
Ｐ４：１つのセグメントの第４の位置
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３：層

Claims

長さＬの所定の長さ寸法を有する１つの圧電素子（１）を備える圧電トランスであって、
前記長さ寸法に沿って前記トランスの少なくとも１つの入力側（２）と少なくとも１つの出力側（３）とが規定されており、前記入力側（２）には入力電圧Ｕ_ｉｎを印加することができ、昇圧比Ｕ_ｏｕｔ／Ｕ_ｉｎ＝Ｋ_ｕに従って前記出力側（３）での出力電圧Ｕ_ｏｕｔに変換され、
前記圧電素子（１）は、複数の内部電極のシート（４ａ，４ｂ，４ｃ）を備え、複数の当該内部電極のシートは前記長さ寸法の方向に対して垂直な方向において複数の異なる層（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）に配設されており、
複数の前記内部電極の各々のシート（４ａ，４ｂ，４ｃ）が、前記長さ寸法の少なくとも１つの所定の部分に渡って延在することによって、そして当該部分の第１のグループの層（Ｓ１，Ｓ３）のシート（４ａ，４ｃ）のセグメントと当該部分の第２のグループの層（Ｓ２）のシート（４ｂ）のセグメントとが異なる寸法を備え、これより前記圧電トランスが、Ｃ_ｉｎ≦Ｎ^２Ｃ_ｏｕｔの条件を満足し、Ｃ_ｉｎは入力キャパシタンス、Ｃ_ｏｕｔは出力キャパシタンスであり、そしてＮは理想的なトランスの昇圧比を表す、
ことを特徴とする圧電トランス。
前記第１のグループの層（Ｓ１，Ｓ３）は前記第２のグループの層（Ｓ２）と交互になっていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電トランス。
前記第１のグループの層（Ｓ１，Ｓ３）複数の内部電極のシート（４ａ，４ｃ）は、それぞれ前記長さ寸法の＞０かつ≦（１／２）・Ｌの領域における第１の位置（Ｐ１）と第２の位置（Ｐ２）との間に延在しており、当該第１の位置（Ｐ１）と当該第２の位置（Ｐ２）との間のそれぞれの前記セグメントは、前記長さ寸法の（１／４）・Ｌの長さを有することを特徴とする、請求項２に記載の圧電トランス。
前記第１のグループの層（Ｓ１，Ｓ３）の複数の内部電極のシート（４ａ，４ｃ）は、それぞれ前記第１の位置（Ｐ１）と前記第２の位置（Ｐ２）との間で、前記長さ寸法の（１／４）・Ｌの位置に対して対称に延在していることを特徴とする、請求項３に記載の圧電トランス。
前記第２のグループの層（Ｓ２）の複数の内部電極のシート（４ｂ）は、それぞれ前記長さ寸法の＞０かつ≦（１／２）・Ｌの領域における第１の位置（Ｐ１）と第２の位置（Ｐ２）との間に延在しており、当該第１の位置（Ｐ１）と当該第２の位置（Ｐ２）との間のそれぞれの前記セグメントは、前記長さ寸法の＞（１／４）・Ｌかつ＜（１／２）・Ｌの長さとなっていることを特徴とする、請求項３または４に記載の圧電トランス。
前記第２のグループの層（Ｓ２）の複数の内部電極のシート（４ｂ）は、それぞれ前記長さ寸法の＞０かつ≦（３／４）・Ｌの領域における第１の位置（Ｐ１）と第２の位置（Ｐ２）との間に延在しており、当該第１の位置（Ｐ１）と当該第２の位置（Ｐ２）との間のそれぞれの前記セグメントは、前記長さ寸法の≧（３／８）・Ｌかつ＜（３／４）・Ｌの長さとなっていることを特徴とする、請求項３または４に記載の圧電トランス。
前記第２のグループの層（Ｓ２）の複数の内部電極のシート（４ｂ）は、それぞれ追加的に、前記長さ寸法の≧（７／８）・Ｌかつ≦Ｌの領域における第３の位置（Ｐ３）と第４の位置（Ｐ４）との間の部分に延在していることを特徴とする、請求項５または６に記載の圧電トランス。
前記長さ寸法に対して、前記第２のグループの層（Ｓ２）の複数の内部電極のシート（４ｂ）の前記第１の位置（Ｐ１）は、前記第１のグループの層（Ｓ１，Ｓ３）の複数の内部電極のシート（４ａ，４ｂ）の前記第１の位置（Ｐ１）に対応していることを特徴とする、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の圧電トランス。
前記圧電素子（１）は、その入力側（２）では前記長さ寸法に対して垂直な方向で分極されており、そしてその出力側（３）では前記長さ寸法の方向に分極されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧電トランス。
前記入力側（２）は、前記圧電素子（１）の前記長さ寸法の０〜（１／２）・Ｌの領域に設けられており、そして前記出力側（３）は、前記圧電素子（１）の前記長さ寸法の（１／２）・Ｌ〜Ｌの領域に設けられていることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧電トランス。