JP6673479B2

JP6673479B2 - 圧電トランス

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Publication number: JP6673479B2
Application number: JP2018527590A
Authority: JP
Inventors: 伸介池内; 洋一持田; 観照山本; 拓生羽田; 堀内　秀哉; 秀哉堀内
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2020-03-25
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Description

本発明は、圧電トランスに関するものである。

国際公開ＷＯ２０１５／１７１２２４（特許文献１）には、圧電体層を備える超音波トランスデューサが記載されている。特許文献１では、基板上に２種類の圧電体層の積層構造を載せることによって振動膜を構成している。この超音波トランスデューサでは、振動膜の中心部が腹となり、外周部が節となるようにして面に垂直な方向の変位を伴う振動モードを利用している。

国際公開ＷＯ２０１６／００６４３３（特許文献２）には、振動装置が記載されている。この振動装置は、並列に接続された複数の振動部を備える。隣り合う振動部同士は互いに逆相で振動する。

国際公開ＷＯ２０１５／１７１２２４国際公開ＷＯ２０１６／００６４３３

特許文献１に記載されたものは超音波トランスデューサであるが、この超音波トランスデューサに含まれる圧電体層の積層構造を利用して圧電トランスフォーマ（以下「圧電トランス」という。）を実現しようとした場合、第２の圧電体層に電圧を印加し、積層構造で構成される振動膜を特定の振動モードで励振し、第１の圧電体層から変圧された電圧を取り出すということになる。しかし、このような圧電トランスでは、１素子当たりのインピーダンスが高く、外部回路とのマッチングを取りにくいという問題がある。インピーダンスを下げるために、振動膜の面積を大きくすることも考えられるが、振動膜の面積を大きくした場合、共振周波数が変わってしまうという問題がある。

上述と同様の問題は、圧電振動子においても存在する。この問題を解決するために、特許文献２に記載された振動装置では、隣同士で逆相に駆動されるように複数の振動部を並列接続して１つの圧電振動子を構成している。このように複数の振動部で振動装置を構成することにより、同じ形状の振動部単体の場合に比べて共振周波数を大きく変化させることなくインピーダンスを下げることができる。しかし、圧電トランスを実現しようとした場合には、電圧を与えて振動させるのみでなく、振動からさらに得られた電圧を取り出す必要があるので、特許文献２に記載された振動装置では圧電トランスにはなり得ない。

そこで、本発明は、インピーダンスを下げつつ圧電トランスを実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づく圧電トランスは、基材と、上記基材によって支持された上部層とを備える。上記上部層は、上記上部層のうち上記基材に重ならない部分である振動部集合部を含む。上記振動部集合部は、厚み方向に互いに離隔して厚み方向に順に並ぶように配置された出力電極、中間電極および入力電極を含む。ｎを２以上の整数としたとき、上記振動部集合部は、１つの方向に並ぶｎ個の振動部を含む。上記上部層は、少なくとも上記ｎ個の振動部の各々において上記出力電極および上記中間電極によって挟み込まれる部分を含むように配置された第１圧電体層と、上記第１圧電体層に重なるように配置されつつ少なくとも上記ｎ個の振動部の各々において上記中間電極および上記入力電極によって挟み込まれる部分を含むように配置された第２圧電体層とを含む。上記入力電極は、上記ｎ個の振動部のうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の入力電極片を含む。上記出力電極は、上記ｎ個の振動部のうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の出力電極片を含む。上記第１圧電体層および上記第２圧電体層は、上記ｎ個の振動部にわたって一定の向きに分極されている。上記ｎ個の振動部の各々を、上記１つの方向に沿って一端から他端にかけて１番目からｎ番目の振動部と呼ぶこととしたとき、上記１個以上ｎ個以下の入力電極片においては、奇数番目の振動部に対応する入力電極片のうち１つ以上が属する集合である第１入力電極片群と、偶数番目の振動部に対応する入力電極片のうち１つ以上が属する集合である第２入力電極片群とに対して、上記中間電極の電位を基準として逆相となるような電圧を、それぞれ印加可能なように配線されている。上記１個以上ｎ個以下の出力電極片においては、奇数番目の振動部に対応する出力電極片のうち１つ以上が属する集合である第１出力電極片群と、偶数番目の振動部に対応する出力電極片のうち１つ以上が属する集合である第２出力電極片群との間で、いずれか一方の電圧の位相を反転してから両者を結合して、上記中間電極の電位を基準とした電圧を取り出すことが可能なように配線されている。

本発明によれば、インピーダンスを下げつつ圧電トランスを実現することができる。

本発明に基づく実施の形態１における圧電トランスの斜視図である。本発明に基づく実施の形態１における圧電トランスの平面図である。図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に関する矢視断面図である。本発明に基づく実施の形態１における圧電トランスの概念図である。本発明に基づく実施の形態１における圧電トランスの振動部集合部の挙動の説明図である。本発明に基づく実施の形態１に関連して行なった実験の第１の説明図である。本発明に基づく実施の形態１に関連して行なった実験の第２の説明図である。本発明に基づく実施の形態１に関連して行なった実験の第３の説明図である。本発明に基づく実施の形態１に関連して行なった実験の第４の説明図である。本発明に基づく実施の形態１に関連して行なった実験で得られた昇圧比に関するグラフである。本発明に基づく実施の形態１に関連して行なった実験で得られた出力インピーダンスに関するグラフである。本発明に基づく実施の形態２における圧電トランスの斜視図である。本発明に基づく実施の形態２における圧電トランスの平面図である。本発明に基づく実施の形態２における圧電トランスの概念図である。本発明に基づく実施の形態２における圧電トランスの振動部集合部の挙動の説明図である。本発明に基づく実施の形態３における圧電トランスの平面図である。図１６におけるＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に関する矢視断面図である。本発明に基づく実施の形態４における圧電トランスの平面図である。図１８におけるＸＩＸ−ＸＩＸ線に関する矢視断面図である。本発明に基づく実施の形態４における圧電トランスの概念図である。本発明に基づく実施の形態４における圧電トランスの振動部集合部の挙動の説明図である。

図面において示す寸法比は、必ずしも忠実に現実のとおりを表しているとは限らず、説明の便宜のために寸法比を誇張して示している場合がある。以下の説明において、上または下の概念に言及する際には、絶対的な上または下を意味するとは限らず、図示された姿勢の中での相対的な上または下を意味する場合がある。

（実施の形態１）
図１〜図４を参照して、本発明に基づく実施の形態１における圧電トランスについて説明する。本実施の形態における圧電トランス１０１の外観を図１に示す。圧電トランス１０１の平面図を図２に示す。図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に関する矢視断面図を図３に示す。圧電トランス１０１の振動膜を、関連する配線と共に表示した概念図を図４に示す。

図１に示すように、圧電トランス１０１は、基材１と、基材１によって支持された上部層１５とを備える。基材１は、たとえばＳｉからなる部材であってもよい。基材１は板状のものとは限らないが、板状の部材を用いて形成することができる。たとえばＳｉ基板を利用して基材１を形成してもよい。図３に示すように、上部層１５は、上部層１５のうち基材１に重ならない部分である振動部集合部９を含む。振動部集合部９は、厚み方向に互いに離隔して厚み方向に順に並ぶように配置された出力電極２、中間電極４および入力電極６を含む。ｎを２以上の整数としたとき、振動部集合部９は、１つの方向に並ぶｎ個の振動部９ａ〜９ｄを含む。ここでは、説明の便宜のため、ｎ＝４であるものとして以下の説明を続けるが、これはあくまで一例であって、ｎは４以外であってもよい。上部層１５は、少なくともｎ個の振動部９ａ〜９ｄの各々において出力電極２および中間電極４によって挟み込まれる部分を含むように配置された第１圧電体層３と、第１圧電体層３に重なるように配置されつつ少なくともｎ個の振動部９ａ〜９ｄの各々において中間電極４および入力電極６によって挟み込まれる部分を含むように配置された第２圧電体層５とを含む。入力電極６は、ｎ個の振動部９ａ〜９ｄのうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の入力電極片６ａ〜６ｄを含む。出力電極２は、ｎ個の振動部９ａ〜９ｄのうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の出力電極片２ａ〜２ｄを含む。中間電極４は、ｎ個の振動部９ａ〜９ｄのうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の中間電極片を含む。

ここでは、振動部の数ｎが４であって、入力電極片、出力電極片、中間電極片の各数がいずれもｎすなわち４であるものとして説明するが、これはあくまで一例である。入力電極片、出力電極片、中間電極片のうちいずれかの数が振動部の数ｎより少なくてもよい。

第１圧電体層３は、ｎ個の振動部９ａ〜９ｄにわたって一定の向きに分極されている。第２圧電体層５も、ｎ個の振動部９ａ〜９ｄにわたって一定の向きに分極されている。図４において第１圧電体層３および第２圧電体層５の内部に表示された矢印は分極の向きを表す。以下では、説明の便宜のため、ｎ個の振動部の各々を、１つの方向に沿って一端から他端にかけて１番目からｎ番目の振動部と呼ぶこととする。１個以上ｎ個以下の入力電極片６ａ〜６ｄにおいては、奇数番目の振動部に対応する入力電極片のうち１つ以上が属する集合である第１入力電極片群と、偶数番目の振動部に対応する入力電極片のうち１つ以上が属する集合である第２入力電極片群とに対して、中間電極４の電位を基準として逆相となるような電圧を、それぞれ印加可能なように配線されている。１個以上ｎ個以下の出力電極片２ａ〜２ｄにおいては、奇数番目の振動部９ａ，９ｃに対応する出力電極片２ａ，２ｃのうち１つ以上が属する集合である第１出力電極片群と、偶数番目の振動部９ｂ，９ｄに対応する出力電極片２ｂ，２ｄのうち１つ以上が属する集合である第２出力電極片群との間で、いずれか一方の電圧の位相を反転してから両者を結合して、中間電極４の電位を基準とした電圧を取り出すことが可能なように配線されている。ここで示した例では、第１出力電極片群は、出力電極片２ａ，２ｃの全てを含む集合であり、第２出力電極片群は、出力電極片２ｂ，２ｄの全てを含む集合である。圧電トランス１０１は、パッド電極３５に与えられる電位を基準としてパッド電極３１，３２の間に互いに逆相となる電圧をそれぞれ入力して使用すべきものである。パッド電極３１，３２にそれぞれ入力される電圧を、互いに逆相とするための機構自体を、圧電トランス自体が備えていてもよい。入力される電圧を逆相とするための機構は、圧電トランス１０１に含まれないものとして、使用者が別途用意するものとしてもよい。出力側に関しても同様である。すなわち、第１出力電極片群と第２出力電極片群との間で、いずれか一方の電圧の位相を反転して両者を結合するための機構は、圧電トランス自体が備えていてもよい。一方、この機構は圧電トランス１０１に含まれないものとして、使用者が別途用意するものとしてもよい。

圧電トランス１０１を得るための製造方法について説明する。
基材１としてのＳｉ基板の表面にＭｏ膜を厚み１００ｎｍ程度となるように成膜し、このＭｏ膜をパターニングする。これによって、出力電極２が形成される。なお、出力電極２を形成する前に、ＡｌＮ膜などを成膜して、出力電極保護膜（図示せず）を形成してもよい。出力電極保護膜は、図３における出力電極２を下側から一括して覆う形で形成される保護膜である。図３では出力電極保護膜がない例を示している。

出力電極２を上側から覆うように、第１圧電体層３としてのＡｌＮ膜を、厚み１１００ｎｍとなるようにスパッタ法を用いて成膜する。続いて、第１圧電体層３を覆うようにＰｔ膜を厚み１００ｎｍ程度となるように成膜し、このＰｔ膜をパターニングする。Ｐｔ膜と第１圧電体層３であるＡｌＮ膜の間には予め密着層を形成してもよい。こうしてパターニングしたＰｔ膜によって、中間電極４が形成される。

続いて、第２圧電体層５としてのＰＺＴ膜を、厚み１２００ｎｍでスパッタ法、あるいはゾルゲル法を用いて成膜する。続いて、第２圧電体層５を覆うように厚み１００ｎｍ程度のＡｕ膜を成膜し、パターニングする。Ａｕ膜と第２圧電体層５としてのＰＺＴ膜との間には予め密着層を形成してもよい。パターニングしたＡｕ膜によって、入力電極６が形成される。

続いて、出力電極２、中間電極４にそれぞれ接続するためのパッド電極となる部分を露出させるために、第１圧電体層３および第２圧電体層５をエッチングする。パッド電極３５は配線によって中間電極４に接続されている。本実施の形態では、中間電極４が１個以上ｎ個以下の中間電極片に分割されているので、図２に示すように、パッド電極３５から１個以上ｎ個以下の中間電極片の各々に配線が接続されている。パッド電極３５は中間電極４と同じ高さにあるものであり、第２圧電体層５をエッチングすることによりパッド電極３５を露出させる。パッド電極３３は配線によって第１出力電極片群としての出力電極片２ａ，２ｃに接続されている。パッド電極３４は配線によって第２出力電極片群としての出力電極片２ｂ，２ｄに接続されている。パッド電極３３，３４は出力電極２と同じ高さにあるものであるが、第１圧電体層３および第２圧電体層５をエッチングすることにより、パッド電極３３，３４を露出させる。その後、各パッド電極が露出した部分においては、露出した各パッド電極を覆うようにＡｌ膜などを形成する。

続いて、基材１の裏面から、出力電極２および第１圧電体層３に到達するまで基材１をエッチングする。この際、上述した出力電極保護膜があれば、出力電極保護膜によってエッチングの進行を遮断することが容易にできる。こうして、基材１に開口部８が形成され、開口部８の上側に残る部分は振動部集合部９となる。ここで示す例では、開口部８は貫通孔として形成されている。

以上のようにして、図１〜図３に示した構造の圧電トランス１０１を得ることができる。

本実施の形態で示した例では、振動部集合部９は主に出力電極２、第１圧電体層３、中間電極４、第２圧電体層５、入力電極６の積層構造で構成されているが、これ以外にも可撓膜として１０００ｎｍ程度の厚みで別途形成されたＡｌＮ膜やＳｉＮ膜、ＳｉＯ₂膜、ＺｒＯ₂膜などが積層されていてもよい。また、基材１を得るためにＳｉ基板の代わりにＳＯＩ基板などを用いて、活性層としてのＳｉ層を可撓膜として用いてもよい。ＳＯＩ基板における活性層としてのＳｉ層の厚みは、たとえば３μｍ以上５０μｍ以下であってもよく、このＳｉ層をそのままの厚みで可撓膜として用いることとしてもよい。

本実施の形態で示した例では、振動部集合部９に存在する出力電極２、中間電極４、入力電極６は、それぞれ４つの島状の部分に分割されている。図２では、これらのうち入力電極６のみが見えているが、入力電極６の紙面奥側に隠れるように、中間電極４が配置されている。中間電極４のさらに紙面奥側に出力電極２が配置されている。ここでは、振動部の数ｎが４であるものとして説明しているので、このｎの値に合わせて、出力電極２、中間電極４、入力電極６の各々の分割数を「４つ」としているが、これはあくまで一例であり、振動部の数ｎが変われば、出力電極２、中間電極４、入力電極６の各々の分割数もこれに合わせて変わりうる。出力電極２、中間電極４、入力電極６の各々の分割数は、適宜、他の数であってもよい。

さらに、図２および図４に示すように、出力電極２と入力電極６においては、隣り同士の電極が電気的に分離されており、１つ飛ばしで配線を介して導通するように接続されている。その結果、出力電極２に属する１個以上ｎ個以下の出力電極片２ａ〜２ｄは２つの群に分けられる。すなわち、出力電極片２ａ，２ｃからなる第１出力電極片群と、出力電極片２ｂ，２ｄからなる第２出力電極片群とに分けられる。同一の出力電極片群内では各出力電極片は同電位であるが、異なる出力電極片群同士は異なる電位となりうる。

入力電極６に属する１個以上ｎ個以下の入力電極片６ａ〜６ｄも同様に２つの群に分けることができる。すなわち、入力電極片６ａ，６ｃからなる第１入力電極片群と、入力電極片６ｂ，６ｄからなる第２入力電極片群とに分けることができる。同一の入力電極片群内では各入力電極片は同電位であるが、異なる入力電極片群同士は異なる電位となりうる。

中間電極４については、中間電極片としては４つの島状に分割されているものの、これらの島状の部分のいずれも配線を介して導通するように接続され、１つの中間電極片群を形成している。

図２では配線が実線および破線で示されているが、各パッド電極からどこに配線が接続されているかがわかりやすいように、異なる層にある配線の位置を少しずつずらして表示している。これらの配線のずらした配置はあくまで説明の便宜のためであって、実際には、異なる層にある配線同士が上から見たときに重なる位置関係となっていてもよい。配線の電気的接続関係については、図４にも示されている。

本実施の形態では、図４に示すように、中間電極４を基準電位として、第１入力電極片群を交流電源の入力端子３６に、第２入力電極片群を位相反転器３０ａを介して入力端子３６に接続した。ここでいう入力端子３６は、パッド電極３１，３２とは別に存在するものとしたが、圧電トランス１０１が位相反転器３０ａを備えるものとしてもよい。その場合、パッド電極３１と第１入力電極片群との間、あるいは、パッド電極３２と第２入力電極片群との間のいずれか一方に位相反転機能を備えてもよい。これらのうちいずれか一方に位相反転機能が備わっていれば、交流電源から供給される同位相の入力電圧Ｖｉｎをパッド電極３１，３２の両方に同じく接続するだけで一方の位相が反転する構成とすることができる。

本実施の形態では、中間電極４を基準電位として、出力端子３７において出力電圧Ｖｏｕｔが取り出される。出力電圧Ｖｏｕｔを取り出すために、第１出力電極片群に接続されたパッド電極３３を出力端子３７に接続し、第２出力電極片群に接続されたパッド電極３４を、位相反転器３０ｂを介して出力端子３７に接続した。ここでは、出力端子３７がパッド電極３３，３４とは別に存在するものとしたが、圧電トランス１０１が位相反転器３０ｂを備えるものとしてもよい。そのようにした場合、パッド電極３３と第１出力電極片群との間、あるいは、パッド電極３２と第２出力電極片群との間のいずれか一方に位相反転機能を備えることによって、パッド電極３３，３４から同位相の出力電圧Ｖｏｕｔを取り出すことができる。

以上のように得られた素子は、交流電源の電圧を変圧して出力端子に出力させる圧電トランスとして利用できる。本実施の形態によれば、インピーダンスを下げつつ圧電トランスを実現することができる。このことについて、以下に詳しく説明する。

本実施の形態における圧電トランスは、具体的には、以下のような原理で駆動する。まず、交流電源による印加電圧によって第２圧電体層５であるＰＺＴ膜が伸縮し、その結果、図５に示すように振動部９ａ〜９ｄの各々が駆動する。

図５では、第１圧電体層３および第２圧電体層５の中に表示された単純な矢印は分極の向きを表し、第２圧電体層５の中に表示された白抜き矢印は発生する電界の向きを表す。

この際、図５に示すように、第１入力電極片群としての入力電極片６ａ，６ｃが配置される領域と第２入力電極片群としての入力電極片６ｂ，６ｄが配置される領域とで、与えられる電圧が逆位相であるので、これらの領域の第２圧電体層５に生じる変形は互いに逆相となる。第１入力電極片群が配置される領域と第２入力電極片群の配置される領域とは交互に並ぶように配列されているので、第１入力電極片群が配置される領域と第２入力電極片群の配置される領域とで変位が逆相となるような振動モードが励振される。こうして、振動部９ａ〜９ｄは共振振動となる。

第１出力電極片群としての出力電極片２ａ，２ｃが配置される領域と第２出力電極片群としての出力電極片２ｂ，２ｄが配置される領域との間でも同様の関係が成立する。振動部９ａ〜９ｄの共振駆動によって第１圧電体層３であるＡｌＮ膜には電荷が発生する。第２圧電体層５によって引き起こされる変位が互いに逆相であるので、図５に「＋」および「−」によって示すように、第１出力電極片群が配置される領域と第２出力電極片群が配置される領域とで、発生する電荷の極性は逆となる。最終的に、これらの電荷は出力端子３７から出力電圧として検出される。この際、得られる出力電圧Ｖｏｕｔは入力電圧Ｖｉｎとは異なった値とすることができる。特に、ここで示した例のように、第１圧電体層３をＡｌＮ膜によって形成し、第２圧電体層５をＰＺＴ膜によって形成することとすれば、出力電圧Ｖｏｕｔは入力電圧Ｖｉｎよりも大きくすることができるので、電圧の昇圧動作が実現される。なお、この構成において入出力を互いに入れ替えれば電圧の降圧動作も実現することができる。

圧電トランスを作製する際には、圧電トランスとして駆動する前に、第１入力電極片群としての入力電極片６ａ，６ｃと中間電極４との間に入力電圧Ｖｉｎよりも大きい直流電圧を印加することによって分極処理を行なうことが好ましい。この場合、併せて第２入力電極片群としての入力電極片６ｂ，６ｄと中間電極４との間にも、先ほど印加したのと同じ振幅、極性で直流電圧を印加することによって分極処理をすることが好ましい。

（実験結果）
以上のようにして、１つの振動部集合部９において出力電極片、中間電極片、入力電極片の個数がそれぞれｎ個であるものとすると、図１〜図５で示した圧電トランス１０１ではｎ＝４であった。これに対して、ｎ＝１，２，４，６とした圧電トランスをそれぞれ作製した。各圧電トランスにおいて振動膜の大きさは開口部８の大きさによって定まる。各圧電トランスにおける開口部８の大きさや各電極片の大きさについては図６〜図９に示す通りである。いずれも、紙面奥手前方向に重なり合う位置関係にある出力電極片、中間電極片、入力電極片の相互間ではサイズは同じであるものとした。なお、いずれの電極も振動膜の中心に対して対称となるように配置した。これによって、いずれのｎにおいても同程度の共振周波数で屈曲振動する振動モードを励振することができる。

このようにして得られた素子に対して、上述のように入力端子にたとえば１０ｍＶの交流電源を接続し、出力端子にはインピーダンス整合するように負荷を接続し、その負荷間に出力される電圧を読み取った。得られた出力電圧の振幅を前記入力電圧の振幅で除した値を昇圧比として算出した。また、同時に入力端子、および出力端子の電力を測定し、それらの比を取って効率（出力電力／入力電力）を求めた。それぞれの結果を図１０に示す。また、出力インピーダンス、共振周波数とｎの関係も図１１に示す。

図１０に示した通り、いずれのｎにおいても数十倍の昇圧比、数十％の効率の圧電トランスを実現できていることが確認された。さらに、図１１からは、前記性能を実現しつつ、共振周波数を大きく変化させることなく出力インピーダンスを下げることができていることが確認できる。

本実施の形態では、図２に示したように、平面図で見たときに複数の電極片が１列に並んだ構造となっている。このように複数の電極片が同一層の中では１方向のみに並ぶ構造とした場合、振動モードはその方向に並ぶように複数の腹を持つ一方で、これと直交する方向には腹を１つしか持たない。このため、振動膜および各電極片の大きさを、前記直交する方向に伸縮しても、共振周波数はほとんど変わらない。つまり、このような構造で得られる振動モードを用いれば、さらに容易にインピーダンスを調整することが可能である。

（実施の形態２）
図１２〜図１４を参照して、本発明に基づく実施の形態２における圧電トランスについて説明する。本実施の形態における圧電トランス１０２の外観を図１２に示す。圧電トランス１０２の平面図を図１３に示す。圧電トランス１０２の振動膜を、関連する配線と共に表示した概念図を図１４に示す。

圧電トランス１０２は、基材１と、基材１によって支持された上部層１５とを備える。上部層１５は、上部層１５のうち基材１に重ならない部分である振動部集合部９を含む。振動部集合部９は、厚み方向に互いに離隔して厚み方向に順に並ぶように配置された出力電極２、中間電極４および入力電極６を含む。ｎを２以上の整数としたとき、振動部集合部９は、１つの方向に並ぶｎ個の振動部９ａ〜９ｄを含む。ここでは、説明の便宜のため、ｎ＝４であるものとして以下の説明を続けるが、これはあくまで一例であって、ｎは４以外であってもよい。上部層１５は、少なくともｎ個の振動部９ａ〜９ｄの各々において出力電極２および中間電極４によって挟み込まれる部分を含むように配置された第１圧電体層３と、第１圧電体層３に重なるように配置されつつ少なくともｎ個の振動部９ａ〜９ｄの各々において中間電極４および入力電極６によって挟み込まれる部分を含むように配置された第２圧電体層５とを含む。入力電極６は、ｎ個の振動部９ａ〜９ｄのうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の入力電極片６ａ〜６ｄを含む。出力電極２は、ｎ個の振動部９ａ〜９ｄのうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の出力電極片２ａ〜２ｄを含む。第１圧電体層３は、ｎ個の振動部９ａ〜９ｄにわたって一定の向きに分極されている。以下では、説明の便宜のため、ｎ個の振動部の各々を、１つの方向に沿って一端から他端にかけて１番目からｎ番目の振動部と呼ぶこととする。図１４に示すように、第２圧電体層５は、ｎ個の振動部９ａ〜９ｄのうち少なくとも一部に対応するように１個以上ｎ個以下の分極領域を有している。これらの１個以上ｎ個以下の分極領域においては、奇数番目の振動部に対応する分極領域のうち１つ以上が属する集合である第１分極領域群と、偶数番目の振動部に対応する分極領域のうち１つ以上が属する集合である第２分極領域群とで、互いに逆向きとなるようにそれぞれ分極されている。

１個以上ｎ個以下の入力電極片６ａ〜６ｄにおいては、中間電極４の電位を基準として同位相の電圧を、それぞれ印加可能なように配線されている。本実施の形態では、図１４に示すように、中間電極４を基準電位として、１個以上ｎ個以下の入力電極片６ａ〜６ｄの全てを交流電源の入力端子としてのパッド電極３１に接続した。パッド電極３５は配線によって中間電極４に接続されている。

１個以上ｎ個以下の出力電極片２ａ〜２ｄにおいては、奇数番目の振動部９ａ，９ｃに対応する出力電極片２ａ，２ｃのうち１つ以上が属する集合である第１出力電極片群と、偶数番目の振動部９ｂ，９ｄに対応する出力電極片２ｂ，２ｄのうち１つ以上が属する集合である第２出力電極片群との間で、いずれか一方の電圧の位相を反転してから両者を結合して、前記中間電極の電位を基準とした電圧を取り出すことが可能なように配線されている。本実施の形態では、図１４に示すように、中間電極４を基準電位として、出力端子３７において出力電圧Ｖｏｕｔが取り出される。第１出力電極片群、第２出力電極片群から出力端子３７に至る配線は、実施の形態１で説明したものと同様である。

本実施の形態では、入力電圧Ｖｉｎを印加したときの挙動は、図１５に示すようになる。各矢印の意味は図５に関して説明したのと同様である。図１５では、第２圧電体層５の１個以上ｎ個以下の分極領域に印加される電圧はいずれも同位相であるので、電界を表す白抜き矢印の向きはいずれも同じとなっている。本実施の形態では、第２圧電体層５の１個以上ｎ個以下の分極領域は図１５に単純矢印で示すように隣り合うもの同士が逆向きとなるようにそれぞれ分極されているので、たとえ電界の向きが同じであってもそれぞれ逆向きに変形を引き起こす。こうして、振動部９ａ〜９ｄは共振振動となる。

この共振振動によって出力側の第１圧電体層３で電荷が発生する。この電荷が出力電圧として取り出される仕組みについては、実施の形態１で説明したものと同じである。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、入力側の第２圧電体層５を単一位相の電圧で駆動することができるので、入力側の配線や回路を簡素化することができる。

（実施の形態３）
図１６〜図１７を参照して、本発明に基づく実施の形態３における圧電トランスについて説明する。本実施の形態における圧電トランス１０３の平面図を図１６に示す。図１６におけるＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に関する矢視断面図を図１７に示す。

本実施の形態における圧電トランス１０３では、基本的な構成は、実施の形態１で説明した圧電トランス１０１と同様であるが、以下の点で異なる。本実施の形態では、中間電極４ｉを備える。中間電極４ｉは、ｎ個の振動部にまたがって一体的に形成された電極を含む。実施の形態１の中間電極４はｎ個の島状の部分に分割されていたが、本実施の形態における中間電極４ｉは大きな一枚物の電極となっている。ここで示した例では、中間電極４ｉは振動部９ａ〜９ｄの全体にまたがって一括して延在している。図１６では、中間電極４ｉの外形線は破線で示されている。図１６では、入力電極片６ａ〜６ｄの隙間から背後の中間電極４ｉの外形線の一部が見えている。ここで示した例では、中間電極４ｉは入力電極６および出力電極２の外側の輪郭とほぼ一致するような範囲の内側に延在するように示されているが、中間電極４ｉが延在する範囲はこれに限られない。たとえば、入力電極６または出力電極２の外側の輪郭からさらにはみ出すように延在していてもよい。中間電極４ｉは振動膜の範囲内に延在するのみならず、振動膜以外の部分を含む範囲にわたって延在していてもよい。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。本実施の形態では、中間電極が島状の部分に分割されていないので、振動膜の内部構造を簡素化することができる。本実施の形態では、中間電極がｎ個の振動部にまたがる広い範囲にわたって一括して延在する構造とすることができるので、振動膜の最表面に段差が生じる度合を低減することができる。本実施の形態では、このようにして振動膜の平坦化を図ることができ、圧電トランスの信頼性を向上させることができる。

ここではｎ個の振動部の全てに渡って１枚で覆うように中間電極４ｉが備わっている例を示したが、このような例に限らない。たとえば、中間電極として複数の中間電極片が存在し、これらのうちの少なくとも１つの中間電極片が２以上の振動部にまたがって延在する構成であってもよい。

（実施の形態４）
図１８〜図２０を参照して、本発明に基づく実施の形態４における圧電トランスについて説明する。本実施の形態における圧電トランス１０４の平面図を図１８に示す。図１８におけるＸＩＸ−ＸＩＸ線に関する矢視断面図を図１９に示す。圧電トランス１０４の振動膜を、関連する配線と共に表示した概念図を図２０に示す。

本実施の形態における圧電トランス１０４では、基本的な構成は、実施の形態１で説明した圧電トランス１０１と同様であるが、以下の点で異なる。本実施の形態では、中間電極は、互いに離隔して配置された出力側中間電極４１と入力側中間電極４２とを含む。出力側中間電極４１と出力電極２との間に生じた電圧を取り出すことが可能なように配線されている。ここで示した例では、出力側中間電極４１と入力側中間電極４２との間には、中間絶縁層１０が介在している。中間絶縁層１０は、第１圧電体層３および第２圧電体層５のいずれか一方と同じ材料で形成されていてもよい。中間絶縁層１０は、第１圧電体層３および第２圧電体層５のいずれかとも異なる材料で形成されていてもよい。本実施の形態では、出力側中間電極４１は、１個以上ｎ個以下の島状の部分すなわち出力側中間電極片に分割されている。入力側中間電極４２は、１個以上ｎ個以下の島状の部分すなわち入力側中間電極片に分割されている。ここで示した例では、入力側が上側であり、出力側が下側であるが、これはあくまで一例であって、上下逆の配置もありうる。出力側中間電極片と出力電極片とはそれぞれほぼ１対１に対応して配置されている。入力側中間電極片と入力電極片とはそれぞれほぼ１対１に対応して配置されている。振動部集合部９に属する各振動部の内部では、出力電極片、出力側中間電極片、入力側中間電極片、入力電極片がそれぞれ上下方向に離隔しつつ上下方向に重なり合うように配置されている。

本実施の形態における圧電トランス１０４の製造方法は、実施の形態１で説明した圧電トランス１０１を得るための製造方法と基本的には同様であるが、異なる点について説明する。

本実施の形態における製造方法では、基材１の表面に出力電極２を形成するところまでは、実施の形態１で説明した製造方法と同様である。本実施の形態では、出力電極２を上側から覆うように、第１圧電体層３としてのＡｌＮ膜を、厚み１０００ｎｍとなるようにスパッタ法を用いて成膜する。続いて、第１圧電体層３を覆うようにＭｏ膜を厚み１００ｎｍ程度となるように成膜し、このＭｏ膜をパターニングする。これにより出力側中間電極４１を得る。さらに出力側中間電極４１を覆うように、中間絶縁層１０としてのＡｌＮ膜を、厚み１００ｎｍ程度となるようにスパッタ法を用いて成膜する。

Ｐｔ膜を厚み１００ｎｍ程度となるように成膜し、このＰｔ膜をパターニングする。Ｐｔ膜と第１圧電体層３であるＡｌＮ膜の間には密着層を形成してもよい。こうしてパターニングしたＰｔ膜によって、入力側中間電極４２を得る。

続いて、出力電極２、出力側中間電極４１、入力側中間電極４２にそれぞれ接続するためのパッド電極となる部分を露出させるために、第１圧電体層３、中間絶縁層１０および第２圧電体層５をエッチングする。パッド電極３５１は配線によって出力側中間電極４１に接続されている。本実施の形態では、出力側中間電極４１が１個以上ｎ個以下の出力側中間電極片に分割されているので、パッド電極３５１から１個以上ｎ個以下の出力側中間電極片の各々に配線が接続されている。パッド電極３５２は配線によって入力側中間電極４２に接続されている。本実施の形態では、入力側中間電極４２が１個以上ｎ個以下の入力側中間電極片に分割されているので、パッド電極３５２から１個以上ｎ個以下の入力側中間電極片の各々に配線が接続されている。パッド電極３５１を露出させるためには、第２圧電体層５および中間絶縁層１０をエッチングする。パッド電極３５２を露出させるためには、第２圧電体層５をエッチングする。

以降の工程については、実施の形態１で説明したものと同様である。
本実施の形態では、入力電圧Ｖｉｎを印加したときの挙動は、図２１に示すようになる。各矢印の意味は図５に関して説明したのと同様である。第２圧電体層５の各領域では、白抜き矢印で示すような電界が生じるので、隣り合う領域同士で逆向きの変形が引き起こされ、振動部９ａ〜９ｄは共振振動となる。第２圧電体層５に対して中間絶縁層１０を介して重なっている第１圧電体層３においては、共振振動で引き起こされる変形により電荷が発生する。この電荷が出力電圧として取り出される仕組みについては、実施の形態１で説明したものと同じである。

本実施の形態では、中間電極が出力側中間電極４１および入力側中間電極４２の二重構造となっているので、入力に関わる中間電極と出力に関わる中間電極とを別々のものとすることができる。したがって、入力と出力との間で絶縁することができる。

なお、上記各実施の形態では、第１圧電体層３がＡｌＮ膜によって形成され、第２圧電体層５がＰＺＴ膜によって形成されている例を示したが、この材料の選択および組合せはあくまで一例であって、第１圧電体層３および第２圧電体層５の一方または両方の層において異なる材料を用いてもよい。第１圧電体層３と第２圧電体層５とで用いる材料を逆にしてもよい。

なお、上記各実施の形態では、主に昇圧を想定して圧電トランスの構成を説明したが、圧電トランスは昇圧に用いるだけでなく降圧に用いてもよい。

なお、上記各実施の形態では、基材に近い側の圧電体層が出力用、基材から遠い側の圧電体層が入力用としているが、この配置は逆であってもよい。

なお、上記各実施の形態では、振動膜は、基材１の開口部８を完全に塞ぐように配置されたものとして説明した。振動膜は振動部集合部９を含む。上部層１５のうち基材１に重なる部分を、以下「基材被覆上部層」というものとする。上部層１５のうち振動部集合部９となる部分は、振動部集合部９の外周の全てにおいて、基材被覆上部層とつながっていたが、これはあくまで一例であり、このような構成には限らない。上部層１５のうち振動部集合部９と基材被覆上部層とは、限られた部分を介して接続されていてもよい。振動部集合部９の外周の一部は、振動部集合部９と基材被覆上部層とを隔てるようにスリットとなっていてもよい。振動部集合部９と基材被覆上部層とはブリッジ状の部分を介してつながっていてもよい。１つの振動部集合部９を支持するために２ヶ所以上のブリッジ状の部分が設けられていてもよい。

上記各実施の形態では、開口部８は貫通孔であるものとして説明したが、開口部８は貫通孔とは限らない。開口部８を取り囲む基材１は、平面図で見たときに完全に１周分がつながっている閉ループ形状とは限らず、１周分のうち途中で途切れた構造、たとえばＣ字形状、Ｕ字形状などであってもよい。

上記各実施の形態では、ｎ個存在する振動部の全てに対して電圧が印加されている例を示して説明してきたが、たとえばｎ個存在する振動部のうちに電圧が印加されない振動部が１個以上混入していてもよい。電圧が印加されない振動部には入力電極片を形成しなくてもよい。振動部に対応して入力電極片が存在していても入力電極片に配線がつながっていない状態のものが混入していてもよい。このように、電圧が印加されない振動部が混入している場合には、そのような振動部が混入していない場合に比べて電気的特性は劣るが、全体として動作することができれば、ある程度の効果を得ることができる。

このことは入力側だけでなく出力側においてもいえる。上記各実施の形態では、全ての振動部から電圧が取り出されているが、たとえばｎ個存在する振動部のうちに電圧が取り出されない振動部が１個以上混入していてもよい。電圧が取り出されない振動部には出力電極片を形成しなくてもよい。振動部に対応して出力電極片が存在していても出力電極片に配線がつながっていない状態のものが混入していてもよい。このように、電圧が取り出されない振動部が混入している場合には、そのような振動部が混入していない場合に比べて電気的特性は劣るが、全体として動作することができれば、ある程度の効果を得ることができる。

これらの変更は、必要とされる電気的特性により適宜選択されるものである。
電圧が印加されない振動部も電圧が取り出されない振動部も全く混入していない場合の構成については、以下のように表現することができる。

たとえば実施の形態１に示した圧電トランス１０１（図１、図２参照）において、図４に示すように、前記第１入力電極片群は、１個以上ｎ個以下の入力電極片６ａ〜６ｄのうち奇数番目の振動部９ａ，９ｃに対応する入力電極片６ａ，６ｃの全てを含む。前記第２入力電極片群は、１個以上ｎ個以下の入力電極片６ａ〜６ｄのうち偶数番目の振動部９ｂ，９ｄに対応する入力電極片６ｂ，６ｄの全てを含む。前記第１出力電極片群は、１個以上ｎ個以下の出力電極片２ａ〜２ｄのうち奇数番目の振動部９ａ，９ｃに対応する出力電極片２ａ，２ｃの全てを含む。前記第２出力電極片群は、１個以上ｎ個以下の出力電極片２ａ〜２ｄのうち偶数番目の振動部９ａ，９ｃに対応する出力電極片２ｂ，２ｄの全てを含む。このような構成であれば、振動膜を効率良く振動させることができ、振動膜に生じた電位差を出力電圧として効率良く取り出せるので好ましい。

たとえば実施の形態２に示した圧電トランス１０２（図１２、図１３参照）において、図１４に示すように、前記第１出力電極片群は、１個以上ｎ個以下の出力電極片２ａ〜２ｄのうち奇数番目の振動部９ａ，９ｃに対応する出力電極片２ａ，２ｃの全てを含む。前記第２出力電極片群は、１個以上ｎ個以下の出力電極片２ａ〜２ｄのうち偶数番目の振動部９ｂ，９ｄに対応する出力電極片２ｂ，２ｄの全てを含む。このような構成であれば、振動膜に生じた電位差を出力電圧として効率良く取り出せるので好ましい。ここでは圧電トランス１０２について述べたが、圧電トランス１０１においても同様である。

ここではいずれも振動部の数ｎが４である場合を例に説明したが、ｎが４以外であっても同様に考えることができる。

なお、上記実施の形態のうち複数を適宜組み合わせて採用してもよい。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１基材、２出力電極、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ出力電極片、３第１圧電体層、４中間電極、５第２圧電体層、６入力電極、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ入力電極片、８開口部、９振動部集合部、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ振動部、１０中間絶縁層、１５上部層、３０ａ，３０ｂ位相反転器、３１，３２，３３，３４，３５，３５１，３５２パッド電極、３６入力端子、３７出力端子、４１出力側中間電極、４２入力側中間電極、１０１，１０２，１０３，１０４圧電トランス。

Claims

基材と、
前記基材によって支持された上部層とを備え、
前記上部層は、前記上部層のうち前記基材に重ならない部分である振動部集合部を含み、
前記振動部集合部は、厚み方向に互いに離隔して厚み方向に順に並ぶように配置された出力電極、中間電極および入力電極を含み、
ｎを２以上の整数としたとき、
前記振動部集合部は、１つの方向に並ぶｎ個の振動部を含み、
前記上部層は、少なくとも前記ｎ個の振動部の各々において前記出力電極および前記中間電極によって挟み込まれる部分を含むように配置された第１圧電体層と、前記第１圧電体層に重なるように配置されつつ少なくとも前記ｎ個の振動部の各々において前記中間電極および前記入力電極によって挟み込まれる部分を含むように配置された第２圧電体層とを含み、
前記入力電極は、前記ｎ個の振動部のうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の入力電極片を含み、
前記出力電極は、前記ｎ個の振動部のうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の出力電極片を含み、
前記第１圧電体層および前記第２圧電体層は、前記ｎ個の振動部にわたって一定の向きに分極されており、
前記ｎ個の振動部の各々を、前記１つの方向に沿って一端から他端にかけて１番目からｎ番目の振動部と呼ぶこととしたとき、
前記１個以上ｎ個以下の入力電極片においては、奇数番目の振動部に対応する入力電極片のうち１つ以上が属する集合である第１入力電極片群と、偶数番目の振動部に対応する入力電極片のうち１つ以上が属する集合である第２入力電極片群とに対して、前記中間電極の電位を基準として逆相となるような電圧を、それぞれ印加可能なように配線されており、
前記１個以上ｎ個以下の出力電極片においては、奇数番目の振動部に対応する出力電極片のうち１つ以上が属する集合である第１出力電極片群と、偶数番目の振動部に対応する出力電極片のうち１つ以上が属する集合である第２出力電極片群との間で、いずれか一方の電圧の位相を反転してから両者を結合して、前記中間電極の電位を基準とした電圧を取り出すことが可能なように配線されている、圧電トランス。
基材と、
前記基材によって支持された上部層とを備え、
前記上部層は、前記上部層のうち前記基材に重ならない部分である振動部集合部を含み、
前記振動部集合部は、厚み方向に互いに離隔して厚み方向に順に並ぶように配置された出力電極、中間電極および入力電極を含み、
ｎを２以上の整数としたとき、
前記振動部集合部は、１つの方向に並ぶｎ個の振動部を含み、
前記上部層は、少なくとも前記ｎ個の振動部の各々において前記出力電極および前記中間電極によって挟み込まれる部分を含むように配置された第１圧電体層と、前記第１圧電体層に重なるように配置されつつ少なくとも前記ｎ個の振動部の各々において前記中間電極および前記入力電極によって挟み込まれる部分を含むように配置された第２圧電体層とを含み、
前記入力電極は、前記ｎ個の振動部のうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の入力電極片を含み、
前記出力電極は、前記ｎ個の振動部のうち少なくとも一部に対応するように分割されて配列された１個以上ｎ個以下の出力電極片を含み、
前記第１圧電体層は、前記ｎ個の振動部にわたって一定の向きに分極されており、
前記ｎ個の振動部の各々を、前記１つの方向に沿って一端から他端にかけて１番目からｎ番目の振動部と呼ぶこととしたとき、
前記第２圧電体層は、前記ｎ個の振動部のうち少なくとも一部に対応するように１個以上ｎ個以下の分極領域を有しており、前記１個以上ｎ個以下の分極領域においては、奇数番目の振動部に対応する分極領域のうち１つ以上が属する集合である第１分極領域群と、偶数番目の振動部に対応する分極領域のうち１つ以上が属する集合である第２分極領域群とで、互いに逆向きとなるようにそれぞれ分極されており、
前記１個以上ｎ個以下の入力電極片においては、前記中間電極の電位を基準として同位相の電圧を、それぞれ印加可能なように配線されており、
前記１個以上ｎ個以下の出力電極片においては、奇数番目の振動部に対応する出力電極片のうち１つ以上が属する集合である第１出力電極片群と、偶数番目の振動部に対応する出力電極片のうち１つ以上が属する集合である第２出力電極片群との間で、いずれか一方の電圧の位相を反転してから両者を結合して、前記中間電極の電位を基準とした電圧を取り出すことが可能なように配線されている、圧電トランス。
前記第１入力電極片群は、前記１個以上ｎ個以下の入力電極片のうち奇数番目の振動部に対応する入力電極片の全てを含み、前記第２入力電極片群は、前記１個以上ｎ個以下の入力電極片のうち偶数番目の振動部に対応する入力電極片の全てを含み、前記第１出力電極片群は、前記１個以上ｎ個以下の出力電極片のうち奇数番目の振動部に対応する出力電極片の全てを含み、前記第２出力電極片群は、前記１個以上ｎ個以下の出力電極片のうち偶数番目の振動部に対応する出力電極片の全てを含む、請求項１に記載の圧電トランス。
前記第１出力電極片群は、前記１個以上ｎ個以下の出力電極片のうち奇数番目の振動部に対応する出力電極片の全てを含み、前記第２出力電極片群は、前記１個以上ｎ個以下の出力電極片のうち偶数番目の振動部に対応する出力電極片の全てを含む、請求項１または２に記載の圧電トランス。
前記中間電極は、互いに離隔して配置された出力側中間電極と入力側中間電極とを含み、前記出力側中間電極と前記出力電極との間に生じた電圧を取り出すことが可能なように配線されている、請求項１から４のいずれかに記載の圧電トランス。
前記中間電極は、前記ｎ個の振動部にまたがって一体的に形成された電極を含む、請求項１から５のいずれかに記載の圧電トランス。