JP5813118B2 - 圧電多層構成素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電多層構成素子、特にトランスフォーマに関する。

高周波で使用するためには、特に厚さ方向振動により作動する圧電構成素子が適している。このような圧電構成素子は５００ｋＨｚよりも大きい作動周波数を備え、このような作動周波数は電子構成素子をさらに小型化することが可能にする。

高周波領域で作動する圧電構成素子のための構成は、特許文献１により既知である。厚さ方向振動により作動する圧電トランスでは、寄生振動モード、特に水平方向の振動モードの励起は、装置の効率を損なう。特許文献１では、この問題をリング状に形成された圧電本体によって解決することが提案されている。しかしながら、圧電本体のこの特殊なリング状の形成は、この構成素子を製造する際に手間のかかる技術を用いなければならず、この技術は、通常は圧電構成素子を製造する際に使用される多層化技術との互換性がない。これにより、上記に提案された原理にしたがってこのような構成素子を作製する場合、手間がかかり、コスト高になってしまう。

米国特許６，７０７，２３５号明細書

したがって、前記多層化技術を用いて作製することができ、寄生振動モードの励起を効果的に抑制する圧電構成素子の必要性が生じる。

このために、好ましい実施形態によれば、圧電材料からなる本体を含み、この本体が入力領域と出力領域とを備え、出力領域または入力領域が互いに逆向きで平行に分極された少なくとも２つの隣接するレイヤーおよび互いに平行に分極された少なくとも２つの隣接するレイヤーを備える圧電多層構成素子が提案される。
出力領域（３）は、少なくとも１つの第１の２つの隣接したレイヤー（３１ａ，３１ｂ）を備え、当該２つの隣接したレイヤーは、互いに反平行に分極されており、また少なくとも１つの第２の２つの隣接したレイヤー（３２ａ，３２ｂ）を備え、当該２つの隣接したレイヤーは、互いに反平行に分極されており、第１の２つの隣接したレイヤーと第２の２つの隣接したレイヤーとは、互いに重なりあって配設されており、第１の２つの隣接したレイヤーと、第２の２つの隣接したレイヤーとが接する２つのレイヤーは互いに平行に分極されている。

「レイヤー」という概念は、本明細書では多層構成素子の区分を示す。好ましくは、レイヤーは、隣接する２つの電極の間に配置された区分である。好ましくは、レイヤーは圧電材料を備える。好ましくは、レイヤーの圧電材料は一貫した分極方向を備える。入力領域のレイヤーは以下において「層」とも呼ぶ。出力領域のレイヤーは以下において「部分層」とも呼ぶ。

「層」という概念は、本明細書では、好ましくは、多層構成素子の個々の区分であって好ましくは、本体の高調波振動の半分の波長に対応する、同じ厚さを備える全ての区分のために用いられる。１つの層は複数の「部分層」を備えていてもよい。１つの層が複数の部分層を備える場合、それぞれの部分層は層よりも薄い。

レイヤー、特に出力領域の部分層の分極の特殊な形式により、寄生振動モードの励起が効果的に減衰される。また、圧電構成素子は、実証された多層化技術によって、ひいては安価に作製することができる。寄生振動モードの減衰により圧電構成素子の効率が高められる。他の実施形態および構成がそれぞれ従属請求項の対象である。

一実施形態では、入力領域は積層し合う少なくとも２つのレイヤーを含み、これらのレイヤーは、本体の表面に対して実質的に垂直で互いの逆向きの分極を備える。

一実施形態では、出力領域のレイヤーは、入力領域のレイヤーよりも薄い厚さを備える。

一実施形態では、圧電多層構成素子は、入力領域の上方に、本体の表面に対して平行に配置された第１一次電極と、入力領域の下方に、第１一次電極に対して平行に配置された第２一次電極と、さらに、少なくとも部分的に本体の出力領域の内部に、第１一次電極に対して平行に配置された第１および第２二次電極とを備える。

圧電多層構成素子は、正圧電効果および逆圧電効果を利用している。

逆圧電効果とは、圧電セラミックが電界を印可された場合に、分極方向に対して平行または逆向き平行に、または所定の角度で変形されることとして理解される。

正圧電効果とは、本体において、変形の発生時に電圧が降下することとして理解される。

圧電構成素子の入力領域および出力領域は、圧電本体の種々異なる層を介して相互に結合されている。電気入力信号は、圧電多層構成素子の入力領域で、好ましくは本体の機械的厚さ方向振動に変換される。入力領域および出力領域の機械的結合により、２つの部分は機械的厚さ方向振動を受ける。機械エネルギーへの電気エネルギーの変換は、逆圧電効果に基づいて生じる。出力領域では、機械的厚さ方向振動が、好ましくは正圧電効果に基づいて再び電気信号に変換される。

第１および第２一次電極に電圧を印可することにより、本体の機械的変形が引き起こされる。この場合、第１および第２二次電極では、本体の変形の結果として電圧を取り出すことができる。

第１および第２一次電極に交流電圧を印可した場合、本体に周期的に繰り返される変形を生成することができる。このように周期的に繰り返される本体の変形は、第１および第２二次電極に同様に周期的に変化する電圧をもたらす。第１および第２一次電極ならびに第１および第２二次電極を適切に配置することにより、出力電圧と入力電圧とを異ならせることができる。この場合、電圧比に対応した変換比を有するトランスが得られる。

圧電多層構成素子の入力領域に電圧が印可された場合、本体の変位が得られる。変位とは、本体の収縮または膨張として理解される。この場合、原理的には、厚さ方向振動、水平方向振動および曲げ振動が生じうる。厚さ方向振動では、本体の垂直方向の変位が生じる。

本圧電多層構成素子は、好ましくは高周波用途のために設計されている。好ましくは、層の厚さは層のレイヤーの厚さよりも実質的に薄いので、厚さ方向振動における基本振動の周波数は、水平方向の振動における基本振動の周波数よりも高い。水平方向の基本振動の、周波数のより高い高調波は、ほぼ有効な厚さ方向振動の周波数に位置する。水平方向の基本振動の高調波は寄生振動モードを表すが、この寄生振動モードは、入力領域および出力領域の種々異なる層の上記分極により減衰させることができる。

一実施形態では、圧電多層構成素子は、圧電材料としてＰＺＴセラミック（ＰＺＴ＝鉛‐ジルコン酸塩‐チタン酸塩）を備える本体を含む。特に、鉛フリー材料を用いることもできる。

他の一実施形態では、出力領域は、積層し合う少なくとも２つの層を備え、これらの層は、それぞれ積層し合う少なくとも２つの部分層を含み、この場合、層の少なくとも２つの部分層は、好ましくは、本体の表面に対して実質的に垂直方向に分極されており、それぞれの層の少なくとも２つの部分層は、好ましくは互いに逆向きで平行に分極されている。

この実施形態では、隣接する層の隣接する部分層は、それぞれ互いに平行に分極されていてもよい。平行および逆向き平行に分極された部分層を交互の順序で配置することにより、寄生振動モードを効果的に減衰することができる。

別の実施形態では、圧電多層構成素子は、さらに第１および第２電気接点を含む。第１電気接点は第１二次電極に、第２電気接点は第２二次電極に電気的に結合されている。出力領域におけるこのように特殊な二次電極の結合により、場合によっては、部分層の特殊な分極によっては完全に抑制されずにまだ生じている寄生振動モードを付加的に、電気的に補正することができる。

一実施形態では、幾つかの第１および第２二次電極は、個々の部分層の間に交互に配置されている。第１および第２二次電極の一部は、出力領域の上方または下方に配置されていてもよい。

入力領域および／または出力領域の層の厚さは、本体の高調波振動の半分の波調に対応していてもよい。

出口領域の互いに積層し合う少なくとも２つの層の部分層は、単一の厚さを備えていてもよい。

一実施例では、第２一次電極およびいずれか１つの第１二次電極は、共通の電極を形成している。この共通の電極は、入力領域と出力領域との間に、第１一次電極に対して平行に配置されており、ひいては２つの領域を電気的に結合している。この実施例では、入力電圧は、第１一次電極および共通の電極に印可される。入力電圧に起因する厚さ方向振動は、出力領域に機械的に伝搬され、正圧電効果に基づいて、共通の電極と第２電気接点との間に電圧降下をもたらす。

代替的な一実施形態では、入力領域と出力領域との間に絶縁層が配置されている。この絶縁層は、本体の表面に対して平行に延在し、特に有機または無機材料を含んでいてもよい。入力領域と出力領域とは、絶縁層によって互いに機械的に結合されており、直流的に互いに分離されている。

好ましい一実施形態によれば、圧電多層構成素子、特に圧電トランスは：
圧電材料からなる本体であって、入力領域および出力領域を備え、入力領域が出力領域の上方に配置されている本体と、
入力領域の上方に、本体の上面に対して平行に配置された第１一次電極と、
入力領域の下方に、第１一次電極に対して平行に形成された第２一次電極と、
少なくとも部分的に本体の出力領域の内部に、第１一次電極に対して平行に配置された第１および第２二次電極と
を備え、
入力領域が、積層し合う少なくとも２つの層を含み、該２つの層が、本体の上面に対して実質的に垂直方向に逆方向の分極を備え、
出力領域が、互いに積層し合う少なくとも２つの層を備え、該２つの層がそれぞれ少なくとも２つの互いに積層し合う部分層を含み、
層の少なくとも２つの部分層が、本体の上面に対して実質的に垂直方向に分極されており、
それぞれの層の少なくとも２つの部分層が互いに逆向きで平行に分極されている。

好ましい実施形態によれば、圧電多層構成素子は、圧電材料からなる本体と、第１および第２一次電極と、第１および第２二次電極とを含む。本体は、入力領域と出力領域とを備え、入力領域は出力領域の上方に配置されている。入力領域は、少なくとも２つの互いに積層し合う層を含み、これらの層は、互いに逆向きに、本体の上面に対して実質的に垂直方向に分極されている。出力領域は、少なくとも２つの互いに積層し合う層を備え、これらの層は、それぞれ少なくとも２つの互いに積層し合う部分層を含む。それぞれの層の少なくとも２つの部分層は、互いに逆向きに平行であり、本体の上面に対して実質的に垂直方向に分極されている。

本発明の別の一態様は、少なくとも１つの上記実施例にしたがった圧電多層構成素子を作動するための方法に関する。

この方法は、圧電構成素子を、本体の基本振動の高調波振動、特に第４高調波振動に相当する振動で作動することを含む。本体の層および部分層の上記の特殊な寸法と結びついて、圧電多層構成素子は、厚さ方向振動の定在波が形成される周波数で作動される。上記実施例で説明した層もしくは部分層の、逆向き平行および平行の分極、ならびに第１および第２二次電極の上記結合により、発生した寄生振動モード、特に水平方向の振動および曲げ振動を効果的に減衰することができる。これにより、圧電多層構成素子の効率は増大される。

圧電多層構成素子の実施形態を示す図である。

次に図１に基づいて一実施例を詳細に説明する。

実施例が図１に概略的に示されており、個々の素子は、わかりやすくするために省略されている。専門家であれば個々の態様を補足できることは自明である。

図１には、厚さ方向振動式に作動する圧電多層構成素子の本体１が横断面図で示されている。

圧電材料からなる本体１は、入力領域２と、入力領域２の下方に配置された出力領域３とを備える。第１一次電極４が入力領域２の上方に、本体１の上面６に対して平行に取り付けられている。入力領域２の下方には、第１一次電極４に対して平行に形成された第２一次電極５が設けられている。さらに、圧電多層構成素子は、少なくとも部分的に本体１の出力領域３の内部に、第１一次電極４に対して平行に配置された第１および第２電極７を備える。第１二次電極７は、図１に示した実施例では第２一次電極５に電気的に結合されており、共通の電極１１を形成している。

図示していない実施例では、第２一次電極５および第１二次電極７は別個に、すなわち、電気的な結合なしに設計されていてもよい。この実施例では、入力領域２と出力領域３との間に、特に有機材料または無機材料からなる絶縁層が配置されていてもよい。この絶縁層は、例えば、ガラス、二酸化ケイ素、有機層またはセラミックなどの任意の誘電材料からなるパッシベーション層であってもよい。絶縁層によって、入力領域２は出力領域３から直流的に分離される。

図１に示した実施例は、さらに、本体１の出力領域３の内部に、第１一次電極４に対して平行に配置された第２二次電極８を備える。

圧電多層構成素子の入力領域２は、積層し合う２つの層２１，２２から構成されており、これらの層は、本体１の上面６に対して実質的に垂直の、互いに逆向きの分極Ｐを備える。入力領域２の層２１，２２はレイヤーとも呼ばれる。層２１，２２の間には、いわゆる「漂遊」電極が配置されていてもよい。

出力領域３は、積層し合う２つの層３１，３２を含む。出力領域３の層３１は、積層し合う２つの部分層３１ａ，３１ｂから構成されている。出力領域３の部分層３１ａ，３１ｂはレイヤーとも呼ばれる。層３２は、積層し合う２つの部分層３２ａ，３２ｂを含む。出力領域３の部分層３２ａ，３２ｂはレイヤーとも呼ばれる。全ての部分層は、本体１の上面６に対して垂直方向に分極されている。本発明によれば、層３１の２つの部分層３１ａおよび３１ｂは、互いに逆向きで平行に分極されている。同様のことが、層３２の部分層３２ａおよび３２ｂについてもいえる。さらに、隣接する層３１および３２の隣接する部分層３１ｂおよび３２aは、平行な分極を備える。

第１および第２二次電極７，８は、圧電多層構成素子の出力領域３に交互に、部分的に個々の部分層３１ａ，３１ｂ，３１ａ，３１ｂの間に配置されている。第１電気接点９は、第１二次電極および共通の電極１１もしくは第２一次電極５に電気的に結合されている。第２電気接点１０は、第２二次電極８に電気的に接続している。

第１一次電極４、および本実施例では接地として作用する共通の電極９に入力電圧を印可した場合、圧電本体１には本体１の基本振動の第４高調波振動が形成される。結果として、第１電気接点９と第２電気接点１０との間の正圧電効果により出力電圧を取り出すことができる。

図１には、破線Ｖにより基本振動の第４高調波振動のための波節および波腹の分布が示されており、第１調波振動として基本振動が示されている。本体１の内部の半波長の数は、高調波振動の次数に対応する。

図１に示すように、入力領域２または出力領域３の層２１，２２，３１，３２の厚さは、それぞれ本体１の第４高調波振動の半波長に対応する。部分層３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂの一貫した厚さにより、第２二次電極８は、第４高調波振動のちょうど波腹の領域に位置する。

寄生振動モードの伝搬は、一方では、入力領域２の層２１，２２の逆方向の分極によって減衰される。第１一次電極４および共通の電極１１に入力電圧を印可した場合、層２１および２２は異なる分極に基づいて逆方向に変形される。このことも寄生振動モードの減衰をもたらす。同様のことが、圧電多層構成素子の出力領域３の層３１および３２についてもいえる。

他方では、出力領域３の寄生振動モードは、第１および第２二次電極７，８の上記配置によって付加的に、電気的に補正される。

この実施例で説明した層もしくは部分層の分極および第１および第２二次電極の電気的な結合は、寄生振動モード、特に水平方向の振動および曲げ振動の伝搬を効果的に減衰する。これにより、圧電構成素子の効率が高められる。構成素子の作製は、多層化技術を使用することにより安価になる。

圧電多層構成素子の分極は、図１に示した層もしくは部分層の分極に限定されない。特に、入力領域２の種々異なる分極を出力領域３の任意の分極と組み合わせることもできる。したがって、例えば層２１および２２の分極を反転し、図示の出力領域３の分極と組み合わせることもできる。同様に、部分層３１ａの分極を圧電多層構成素子の表面に向け、部分層３１ｂの分極を下面に向けてもよい。当業者は、上記説明から、層もしくは部分層の分極の適切な変化態様を推論することができる。

上記方法により、圧電多層構成素子は、本体の基本振動の第４高調波振動に相当する周波数で作動される。

圧電多層構成素子の構成を変更することにより、特に入力領域２もしくは出力領域３に付加的な層を配置することにより、構成素子を他の任意の高調波振動によって作動することもできる。代替的には、構成素子を他の高調波振動もしくは他の振動によって作動するために層の厚さを変更することもできる。一般に、層の厚さは、励起された厚さ方向振動の半波長に対応させる。

１ 本体
２ 入力領域
３ 出力領域
４ 第１一次電極
５ 第２一次電極
６ 本体の上面
７，８ 第１および第２二次電極
９ 第１電気接点
１０ 第２電気接点
１１ 共通の電極
２１，２２ 入力領域の積層し合う２つの層
３１，３２ 出力領域の積層し合う２つの層
３１ａ，３１ｂ 出力領域の積層し合う２つの部分層
３２ａ，３２ｂ 出力領域の積層し合う２つの部分層
Ｐ 分極
Ｖ 波節および波腹の分布

Claims (13)

1. 圧電材料からなる本体（１）を含み、該本体（１）が入力領域（２）と出力領域（３）とを備える圧電多層構成素子において、
   前記出力領域（３）または前記入力領域（２）が、互いに逆向き平行に分極された少なくとも２つの隣接するレイヤー（２１，２２；３１ａ，３１ｂ；３２ａ，３２ｂ）を備え、
   前記入力領域（２）は、前記出力領域（３）の上に重なって配設されており、
   前記入力領域（２）および前記出力領域（３）における前記レイヤーの分極の方向は、前記本体（１）の上面（６）に対して実質的に垂直になっており、
   前記出力領域（３）は、少なくとも１つの第１の２つの隣接したレイヤー（３１ａ，３１ｂ）を備え、当該２つの隣接したレイヤーは、互いに反平行に分極されており、また少なくとも１つの第２の２つの隣接したレイヤー（３２ａ，３２ｂ）を備え、当該２つの隣接したレイヤーは、互いに反平行に分極されており、前記第１の２つの隣接したレイヤーと前記第２の２つの隣接したレイヤーとは、互いに重なりあって配設されており、前記第１の２つの隣接したレイヤーと、前記第２の２つの隣接したレイヤーとが接する２つのレイヤー（３１ｂ，３２ａ）は互いに平行に分極されている、
   ことを特徴とする圧電多層構成素子。
2. 請求項１に記載の圧電多層構成素子において、
   前記入力領域が、積層し合う少なくとも２つのレイヤー（２１，２２）を含み、該レイヤーが、互いに逆向きの分極を備えることを特徴とする圧電多層構成素子。
3. 請求項１または２に記載の圧電多層構成素子において、
   前記出力領域（３）のレイヤー（３１ａ，３１ｂ；３２ａ，３２ｂ）が、前記入力領域（２）のレイヤー（２１，２２）よりも小さな厚さを備えることを特徴とする圧電多層構成素子。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の圧電多層構成素子において、
   該圧電多層構成素子が、
   前記入力領域（２）の上方に、前記本体（１）の上面（６）に対して平行に配置された第１一次電極（４）と、
   前記入力領域（２）の下方に、前記第１一次電極（４）に対して平行に配置された第２一次電極（５）と、
   少なくとも部分的に前記本体（１）の前記出力領域（３）の内部に、前記第１一次電極（４）に対して平行に配置された第１および第２二次電極（７，８）と
   を備えることを特徴とする圧電多層構成素子。
5. 請求項４に記載の圧電多層構成素子において、
   前記第１二次電極（７）は、前記第１の２つの隣接したレイヤー（３１ａ，３１ｂ）の上面、前記第１の２つの隣接したレイヤー（３１ａ，３１ｂ）と前記第２の２つの隣接したレイヤー（３２ａ，３２ｂ）の間、および前記第２の２つの隣接したレイヤー（３２ａ，３２ｂ）の下面に設けられており、
   前記第２二次電極（８）は、前記第１の２つの隣接したレイヤー（３１ａ，３１ｂ）の間、および前記第２の２つの隣接したレイヤー（３２ａ，３２ｂ）の間に設けられている、
   ことを特徴とする圧電多層構成素子。
6. 請求項４または５に記載の圧電多層構成素子において、
   該圧電多層構成素子が、さらに、
   前記第１二次電極（７）と電気的に結合された第１電気接点（９）と、
   前記第２二次電極（８）と電気的に結合された第２電気接点（１０）と
   を含むことを特徴とする圧電多層構成素子。
7. 請求項４から６までのいずれか一項に記載の圧電多層構成素子において、
   幾つかの前記第１および第２二次電極（７，８）が、個々のレイヤー（３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ）の間に交互に配置されていることを特徴とする圧電多層構成素子。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の圧電多層構成素子において、
   入力領域（２）のレイヤー（２１，２２）の厚さが、前記本体（１）の、１つの高調波の半波長に対応していることを特徴とする圧電多層構成素子。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の圧電多層構成素子において、
   前記出力領域（３）の前記レイヤー（３１，３２）の厚さが、前記本体（１）の、１つの高調波の１／４の波長に対応していることを特徴とする圧電多層構成素子。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の圧電多層構成素子において、
    前記出力領域（３）のレイヤー（３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ）が、単一の厚さを備えることを特徴とする圧電多層構成部材。
11. 請求項４から１０までのいずれか一項に記載の圧電多層構成部材において、
    前記第２一次電極（５）およびいずれか１つの前記第１二次電極（７）が、共通の電極（１）を形成しており、該共通の電極が、前記入力領域（２）と前記出力領域（３）との間に、前記第１一次電極（４）に対して平行に配置されていることを特徴とする圧電多層構成素子。
12. 請求項１から１０までのいずれか一項に記載の圧電多層構成素子において、
    前記入力領域（２）と前記出力領域（３）との間に、絶縁層が配置されていることを特徴とする圧電多層構成素子。
13. 請求項１から１２までのいずれか一項に記載の圧電多層構成素子を作動するための方法において、
    前記圧電多層構成素子を、前記本体（１）の基本振動の第４高調波に相当する振動で作動することを特徴とする方法。

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