JP7498480B2

JP7498480B2 - 圧電トランス

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Publication number: JP7498480B2
Application number: JP2020093699A
Authority: JP
Inventors: 隆彦柳谷; 紗里那木下
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2024-06-12
Anticipated expiration: 2040-05-28
Also published as: JP2021190537A

Description

本発明は、圧電体を用いて高周波電圧の大きさを変換する圧電トランスに関する。ここで「高周波電圧」、及び後述の「高周波電力」はそれぞれ、電磁波を受信することにより得られる高周波信号及び／又は電磁波を送信する際に用いる高周波信号の電圧及び電力をいう。このような高周波電圧及び高周波電力の周波数は、典型的には50MHz～30GHzの範囲に含まれる。

近年、屋内外にセンサを多数設置し、それらのセンサから大量のデータを収集して分析することにより、新たなビジネスを創出したり、社会問題を解決しようとする試みがなされている。例えば、橋梁やトンネル等の建築物にセンサを多数設置してモニタリングを行うことにより、建築物まで出向かなくとも、建築物の老朽状態を監視したり、災害時の被災状況を把握することができるようになる。

このように多数設置されるセンサを動作させるためには、個々のセンサに電力を供給する必要がある。しかし、そのための電源として商用電源を用いると、多数のセンサを1個ずつ商用電源に接続しなければならず、設置時の配線作業や設置後の管理に手間とコストを要してしまう。あるいは、個々のセンサに太陽電池を設けることも考えられるが、その場合、太陽光が入射しない箇所にはセンサを設置することができない。

そこで、個々のセンサにレクテナを設けることが検討されている。レクテナは、電磁波を受信して直流の電力に変換する装置である。電磁波発生装置から発生させた電磁波をセンサの側で受信することにより、レクテナを介して当該センサに無線で直流電力を供給することができる。また、環境中にはテレビやラジオの放送用や、携帯電話等の通信用等の電磁波が存在することから、これらの環境電磁波をレクテナに入力してもよい。このように電磁波発生装置から発生させた電磁波、及び環境電磁波のいずれを用いる場合にも、個々のセンサを商用電源に接続することなく、当該センサを動作させることができる。そのため、配線やそのメンテナンスに要する手間や費用を抑えることができる。

電磁波センサでは一般に直流電力が用いられる。そのため、センサの電源用のレクテナは、高周波電力を直流電力に変換する回路を有する。この回路には一般にダイオードが含まれていることから、回路に入力する高周波電圧はダイオードのしきい電圧より高くなければならない。しかし、電磁波を単に入力しただけでは、そのようなしきい電圧より高い高周波電圧を得ることは難しい。そのため、センサの電源用のレクテナはさらに、高周波電力を直流電力に変換する回路の前段に、高周波電圧を昇圧するトランスを有する。

レクテナに設けられるトランスには、小型化が可能であるという点で、圧電トランスを好適に用いることができる。圧電トランスは圧電体の圧電効果を利用したトランスであって、一般に、外部から高周波電力が入力される第１の圧電体（入力側圧電体）と、電圧が昇圧された高周波電力を出力する第２の圧電体（出力側圧電体）とを有する。外部から入力側圧電体に高周波電力が入力されると、圧電効果によって該高周波電力が機械的振動に変換される。この機械的振動は入力側圧電体から出力側圧電体に伝わり、出力側圧電体にも機械的振動が生じる。そして、出力側圧電体において圧電効果によって機械的振動が高周波電力に変換され、この高周波電力が出力される。

その際、出力側圧電体において出力される高周波電圧（出力電圧）が入力時の高周波電圧（入力電圧）から昇圧される理由は、入力側圧電体と出力側圧電体の構成の相違に起因する。例えば特許文献１に記載の圧電トランスでは、入力側圧電体には1層のみの圧電膜から成る圧電体を用い、出力側圧電体には入力側圧電体の圧電膜と同じ材料、同じ厚さの圧電膜を複数積層した積層体を用いている。入力側圧電体及び出力側圧電体が有する各圧電膜では、分極方向は圧電膜の表面に対して傾斜しており、分極の圧電膜に垂直な方向の成分は各圧電膜で同じ方向を向いている。出力側圧電体では、分極の圧電膜に平行な方向の成分は隣接する圧電膜同士で互いに逆向きとなっている。また、この圧電トランスには、入力側圧電体の両面に設けられた1対の入力電極と、出力側圧電体の両面に設けられた1対の出力電極が設けられている。なお、入力電極の一方と出力電極の一方は、入力側圧電体と出力側圧電体の間に設けられた共通の（1個の）電極としてもよい。

特許文献１に記載の圧電トランスによれば、入力電極間に高周波電圧を印加（入力）すると、入力側圧電体が振動し、その振動が出力側圧電体に伝わる。その際、入力側圧電体の圧電膜の分極が該圧電膜の表面に対して傾斜していることにより、入力側圧電体の圧電膜には、表面に平行な方向であって両面では互いに逆方向に振動するすべり振動が生じる。この振動が出力側圧電体に伝わることにより、出力側圧電体の各圧電膜にも同様のすべり振動が生じる。このすべり振動の波数は、1つの圧電膜毎に半整数となる。このような振動が出力側圧電体の各圧電膜に生じることにより、圧電効果によって、出力側圧電体の全体では出力側圧電体における圧電膜の数に応じた出力電圧が厚さ方向に発生する。

特開2018-190800号公報

特許文献１に記載の圧電トランスでは出力側圧電体に圧電膜を複数積層した積層体を用いるため、当該積層体の作製に手間を要する。そのため、特許文献１に記載の圧電トランスは量産することに適していない。

本発明が解決しようとする課題は、量産に適した圧電トランスを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る圧電トランスは、
a) 第１の厚さd₁を有し第１の圧電材料製であって分極が所定の第１方向を向いている入力側圧電膜を1層のみ有し、さらに該入力側圧電膜の両面に設けられた1対の入力電極を有する入力部と、
b) 前記入力側圧電膜に隣接して設けられた、前記第１の厚さd ₁ とは異なる第２の厚さd₂を有し第２の圧電材料製の圧電膜であって、該第２の圧電材料の誘電率ε₂が前記第１の圧電材料の誘電率ε₁の(d₂/d₁)倍よりも小さく、該第２の厚さd₂が該圧電膜内の音速v₂、前記入力側圧電膜内の音速v₁を用いて0.5×(v₂/v₁)d₁≦d₂≦2.0×(v₂/v₁)d₁で表される範囲内であり、分極が所定の第２方向を向いている出力側圧電膜を1層のみ有し、さらに該出力側圧電膜の両面に設けられた1対の出力電極を有する出力部と
を備えることを特徴とする。

1対の入力電極の一方と1対の出力電極の一方は、入力側圧電膜と出力側圧電膜の間に設けられた共通の（1個の）電極としてもよい。あるいは、1対の入力電極の一方と1対の出力電極の一方は、前記入力側圧電膜と前記出力側圧電膜の間に、絶縁体製の介在層を挟んで互いに独立に設けてもよい。出力側圧電膜が「前記入力側圧電膜に隣接して設けられ」ていることは、出力側圧電膜が共通の（1個の）電極を介して、又は1対の入力電極の一方、1対の出力電極の一方及び介在層を介して、入力側圧電膜と接していることを意味する。

本発明では、入力側圧電膜の分極は所定の第１方向を向き、出力側圧電膜の分極は所定の第２方向を向く。それら第１方向及び第２方向は、原則として任意の方向とすることができるが、一方が圧電膜に対して平行であって他方が圧電膜に対して垂直である場合を除く。すなわち、第１方向と第２方向が共に、圧電膜（入力側圧電膜及び出力側圧電膜）に対して垂直な成分を有するか、又は圧電膜に対して平行な成分を有していればよい。第１方向と第２方向の一方が圧電膜に対して傾斜している場合には、当該一方が圧電膜に対して垂直な成分と平行な成分の双方を有するため、他方の方向は任意である。

入力側圧電膜及び／又は出力側圧電膜の分極がそれら圧電膜に垂直な方向の成分を有していれば、入力側圧電膜では両面間に高周波電圧が印加されることによって該圧電膜に垂直な方向の振動が生成され、出力側圧電膜では該圧電膜に垂直な方向の振動が付与されることによって両面間に高周波電圧が発生する。

また、以下の理由により、入力側圧電膜及び／又は出力側圧電膜の分極はそれら圧電膜に平行であっても（それら圧電膜に垂直な方向の成分を有しなくても）よい。一般に、圧電膜の分極の方向が該圧電膜に平行である場合には、圧電膜の両面が、それに平行であって互いに逆方向に振動する滑り振動を生じさせることにより、該振動方向にある圧電膜の一端において両面間に互いに逆極性の電荷が誘起され、高周波電圧が発生する。また、圧電膜の分極の方向が該圧電膜に平行である場合には、そのような一端において両面間に高周波電圧を印加することにより、圧電膜に滑り振動が生じる。従って、そのような一端に入力電極及び／又は出力電極を設けることにより、分極の方向が圧電膜に平行である入力側圧電膜及び／又は出力側圧電膜を用いることができる。

本発明に係る圧電トランスによれば、入力電極間に高周波電圧（「入力電圧」とする）を印加すると、圧電効果によって入力側圧電膜が振動する。この振動は入力側圧電膜から出力側圧電膜に伝わり、出力側圧電膜が入力側圧電膜と同じ振動数で振動する。その際、入力側圧電膜と出力側圧電膜が互いに異なる圧電材料で作製されており、出力側圧電膜の厚さd₂が(v₂/v₁)d₁又はそれに近い0.5×(v₂/v₁)d₁≦d₂≦2.0×(v₂/v₁)d₁の範囲内にあることにより、入力側圧電膜と出力側圧電膜は同じ振動モード（例えば膜の厚さの半波長分の振動）で共振する。そして、出力側圧電膜の振動は圧電効果によって高周波電圧に変換される。この高周波電圧は、出力側圧電膜の両面に設けられた出力電極により出力される。

ここで、出力側圧電膜と1対の出力電極により形成されるコンデンサのインピーダンスZ_o=1/(jωε₂(S/d₂))が入力側圧電膜と1対の入力電極により形成されるコンデンサのインピーダンスZ_i=1/(jωε₁(S/d₁))（jは虚数単位、ωは振動数、ε₁は第１の圧電材料の誘電率、ε₂は第２の圧電材料の誘電率、Ｓは圧電膜の面積）よりも大きい、すなわち1/(jωε₁(S/d₁))<1/(jωε₂(S/d₂))であるとき、出力電圧は入力電圧よりも大きくなる。ここで入力側圧電膜の厚さd₁及び出力側圧電膜の厚さd₂は上述のように入力側圧電膜及び出力側圧電膜に発生させる振動モードにより定められることから、出力電圧の大きさは主に第１の圧電材料の誘電率ε₁及び第２の圧電材料の誘電率ε₂により定まる。1/(jωε₁(S/d₁))<1/(jωε₂(S/d₂))を変形するとε₂<ε₁(d₂/d₁)となることから、第２の圧電材料の誘電率ε₂が第１の圧電材料の誘電率ε₁の(d₂/d₁)倍よりも小さいという本発明に係る圧電トランスにより、入力電圧よりも高い出力電圧が得られる。誘電率は材料の相違によって最大で約100倍相違することから、本発明に係る圧電トランスにより、最大で入力電圧の10×(d₂/d₁)倍以上の出力電圧を得ることができる。

本発明に係る圧電トランスは、介在層を介して入力側圧電層及び出力側圧電層をそれぞれ1層のみ設ければよいため、圧電膜を複数積層した積層体を作製する必要がない。そのため、容易に量産することができる。

本発明に係る圧電トランスはさらに、前記入力側圧電膜又は前記出力側圧電膜を支持する、該入力側圧電膜及び該出力側圧電膜よりも厚い基板を備えていてもよい。前記基板として、前記1対の入力電極の一方と前記1対の出力電極の一方に共通の（前記入力側圧電膜及び前記出力側圧電膜よりも厚い）電極を用いることができる。あるいは、前記基板として、前記入力側圧電膜と前記出力側圧電膜の間に設けられた絶縁体製の介在層を用いることもできる。さらには、前記入力側圧電膜、前記出力側圧電膜、前記1対の入力電極及び前記1対の出力電極を有する積層体の外側に前記基板を設けてもよい。

前記基板は音響ブラッグ反射器であることが好ましい。音響ブラッグ反射器は、音響インピーダンスが異なる2種類の層を交互に積層したものである。音響ブラッグ反射器の各層の厚さを入力側圧電膜及び出力側圧電膜の振動周波数を有する音波のブラッグ反射が生じるように定めておくことにより、入力側圧電膜及び出力側圧電膜の振動のエネルギーが外部に漏れることを抑えることができる。

本発明に係る圧電トランスは、50MHz～30GHzの範囲に含まれる周波数帯（50MHz～30GHzの全体であってもよいし、その一部の範囲内であってもよい）の高周波電力を直流電力に変換するレクテナに好適に用いることができる。すなわち、本発明に係るレクテナは、
本発明に係る圧電トランスと、
前記入力電極に接続され、50MHz～30GHzの範囲に含まれる周波数帯の電磁波を受信するアンテナと、
前記出力電極に接続され、該出力電極から出力される電力を直流に整流する整流回路と
を備えることを特徴とする。

本発明により、容易に量産することができる圧電トランスを得ることができる。

本発明に係る圧電トランスの一実施形態を示す断面図。本実施形態のレクテナの構成を示す概略図。本実施形態のレクテナにおいて、圧電トランスの出力側に接続される整流回路の一例を示す回路図。本実施形態の圧電トランスの製造方法の一例を示す概略図。本実施形態の圧電トランスを製造するためのマグネトロンスパッタ装置を示す概略図。本実施形態の圧電トランスの第１の作製例について、様々な周波数における入力電圧に対する出力電圧の比の値を実験及び計算で求めた結果を示すグラフ。本実施形態の圧電トランスの第２の作製例について、様々な周波数における入力電圧に対する出力電圧の比の値を実験及び計算で求めた結果を示すグラフ。入力側圧電膜の誘電率ε₁と出力側圧電膜の誘電率ε₂の比ε₁/ε₂の相違による、入力電圧に対する出力電圧の比の相違を計算で求めた結果を示すグラフ。本発明に係る圧電トランスの変形例を示す断面図。本発明に係る圧電トランスの別の変形例を示す断面図。本発明に係る圧電トランスのさらに別の変形例を示す断面図。

図１～図１０を用いて、本発明に係る圧電トランスの実施形態を説明する。

(1) 本実施形態の圧電トランスの構成
図１は、本実施形態の圧電トランス１０を示す断面図である。この圧電トランス１０は、入力側圧電膜１１と、出力側圧電膜１２と、第１入力電極１３１と、第２出力電極１４２と、共通電極１５とを備える。これら各構成要素は、図１の下側から順に、第１入力電極１３１、入力側圧電膜１１、共通電極１５、出力側圧電膜１２、第２出力電極１４２の順に積層されている。

入力側圧電膜１１は、第１の圧電材料製であって、第１の厚さd₁を有する。第１の圧電材料には、圧電材料の中で相対的に誘電率が高いものを用いることが好ましい。そのような圧電材料として、例えばチタン酸鉛（PbTiO₃：PTO、比誘電率ε₁/ε₀（ε₀は真空の誘電率）：104）、チタン酸鉛におけるTi（チタン）の一部をZr（ジルコニウム）に置換したチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Ti, Zr)O₃：PZT）、ニオブ酸鉛マグネシウム-チタン酸鉛（Pb(Mg, Nb)O₃-PbTiO₃）、ニオブ酸カリウムナトリウム(K, Na)NbO₃、チタン酸バリウムストロンチウム（(Ba, Sr)TiO₃）等が挙げられる。なお、ここで挙げた例のうちPTOを除く各材料では、括弧で括って示した2種の元素の含有比によって比誘電率が異なる。

出力側圧電膜１２は、第１の圧電材料とは異なる第２の圧電材料製であって、第２の厚さd₂を有する。第２の厚さd₂は、0.5×(v₂/v₁)d₁≦d₂≦2.0×(v₂/v₁)d₁で表される範囲内にある。ここでv₁は第１の圧電材料により定まる入力側圧電膜１１内での音速、v₂は第２の圧電材料により定まる出力側圧電膜１２内での音速である。第２の圧電材料には、誘電率ε₂が第１の圧電材料の誘電率ε₁の(d₂/d₁)倍よりも小さいものを用いる。そのため、第２の圧電材料には、圧電材料の中で相対的に誘電率が低いものを用いることが好ましい。誘電率ε₂が低いほど、入力電圧に対する出力電圧の比を大きくすることができる。相対的に誘電率が低い圧電材料として、例えば窒化アルミニウム（AlN、比誘電率ε₂/ε₀は13）、窒化アルミニウムにおけるAl（アルミニウム）の一部をSc（スカンジウム）に置換したAl_1-xSc_xN（AlScN、0<x<1、比誘電率はxの値によって異なる。例えばx=0.43のとき、比誘電率ε₂/ε₀は23。）がある。AlNよりもAl_1-xSc_xN（0<x<1）の方が圧電性が良い。その他に、酸化亜鉛にMgやCaをドープした(Zn, Mg)Oや(Zn, Ca)O、窒化ガリウム（GaN）系のもの等が挙げられる。

入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２における分極の方向は、一方が圧電膜に垂直であって他方が圧電膜に平行である場合を除いて、それぞれ一方向に揃ってさえいれば、特に問わない。図１では、後述の方法で入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２を作製した場合を例として、入力側圧電膜１１の分極P₁及び出力側圧電膜１２の分極P₂の方向を矢印で示した。この例では、分極P₁及び分極P₂はいずれも圧電膜に垂直な方向であって互いに逆向きとなる。

入力側圧電膜１１は第１入力電極１３１と共通電極１５に挟まれている。また、出力側圧電膜１２は共通電極１５と第２出力電極１４２に挟まれている。このような構成により、共通電極１５は、1対の入力電極の一方（第２入力電極１３２）、及び1対の出力電極の一方（第１出力電極１４１）として機能する。すなわち、第１入力電極１３１と第２入力電極１３２（共通電極１５）が前記1対の入力電極に相当し、第１出力電極１４１（共通電極１５）と第２出力電極１４２が前記1対の出力電極に相当する。

第１入力電極１３１、第２出力電極１４２及び共通電極１５には、通常の金属等の導電体や半導体等、導電性を有する任意の材料を用いることができる。それら3つの電極には、同じ材料から成るものを用いてもよいし、異なる材料から成るものを用いてもよい。

共通電極１５の厚さd₃は、入力側圧電膜１１の厚さd₁及び出力側圧電膜１２の厚さd₂よりも厚くてもよい。これにより、共通電極１５は入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２を保持する基板としての機能も有する。また、共通電極１５には、音響インピーダンスが圧電層のそれと近い材料を用いることが好ましい。これにより、入力側圧電膜１１の振動が出力側圧電膜１２に伝わり易くなる。このように導電性を有する基板材料として、例えば、絶縁体であるSrTiO₃におけるSr（ストロンチウム）の一部をLa（ランタン）に置換することによって導電性を付与したSr_1-xLa_xTiO₃（0<x<1）を好適に用いることができる。

本実施形態の圧電トランス１０を用いて電磁波から電力を得るために、図２Ａに示すようにレクテナ２０を構成することができる。レクテナ２０は、アンテナ２１と、圧電トランス１０と、整流回路２２とを有する。アンテナ２１は50MHz～30GHzの範囲に含まれる周波数帯（50MHz～30GHzの全体であってもよいし、その一部の範囲内であってもよい）の電磁波を受信するものであり、第１入力電極１３１又は共通電極１５（第２入力電極１３２）に接続されている。整流回路２２は、共通電極１５（第１出力電極１４１）及び第２出力電極１４２のいずれか一方に接続される入力端子２２１を有し、それら共通電極１５（第１出力電極１４１）及び第２出力電極１４２の間に生じる電力を直流電力に整流するものである。

整流回路２２は、図２Ｂに示すように、前述した入力端子２２１の他に、ローパスフィルタ２２２と、ダイオード２２３と、1/4波長線路２２４と、コンデンサ２２５と、出力端子２２６とを有する。入力端子２２１、ローパスフィルタ２２２、1/4波長線路２２４及び出力端子２２６は直列に接続され、コンデンサ２２５はローパスフィルタ２２２と1/4波長線路２２４との接続部と接地の間に接続され、出力端子２２６は1/4波長線路２２４と出力端子２２６との接続部と接地の間に接続されている。この整流回路２２は、入力端子２２１に入力する高周波電圧がダイオード２２３のしきい電圧より高くなければ動作しない。そのため、本実施形態の圧電トランス１０を用いて高周波電圧を当該しきい電圧より高い値に昇圧する。

(2) 本実施形態の圧電トランスの製造方法の例
図３及び図４を用いて、本実施形態の圧電トランス１０の製造方法の例を説明する。

まず、共通電極１５となる基板Ｓを用意し（図３(a)）、基板Ｓをマグネトロンスパッタ装置９０（図４）の基板ホルダ９１に装着する。基板ホルダ９１は、ターゲットホルダ９２に対向して設けられており、ターゲットホルダ９２に載置される板状のターゲットＴに平行に基板Ｓを保持する。

次に、第１の圧電材料製のターゲットＴ１をターゲットホルダ９２に載置し、ターゲットＴ１をスパッタし、スパッタされたターゲットＴ１の粒子ＳＰ１を基板Ｓの表面に堆積させる（図３(b)）ことにより、入力側圧電膜１１を作製する（同(c)）。上記したPTOやPZT等の第１の圧電材料から成るターゲットＴに基板Ｓを平行に配置した状態でスパッタを行うと、分極が基板Ｓに垂直な（図３の上向き又は下向きのいずれか）一方向に向くように入力側圧電膜１１が形成される。

次に、金属製のターゲットＴＭをターゲットホルダ９２に載置し、ターゲットＴＭをスパッタし、スパッタされたターゲットＴＭの粒子ＳＰＭを入力側圧電膜１１の表面に堆積させる（同(d)）ことにより、第１入力電極１３１を作製する（同(e)）。

次に、基板Ｓを反転させ、一方の表面に入力側圧電膜１１及び第１入力電極１３１が形成されていない方の表面を基板ホルダ９１側に向けた状態で、基板Ｓを基板ホルダ９１に装着する。そして、第２の圧電材料製のターゲットＴ２をターゲットホルダ９２に載置し、ターゲットＴ２をスパッタし、スパッタされたターゲットＴ２の粒子ＳＰ２を基板Ｓの表面に堆積させる（同(f)）ことにより、出力側圧電膜１２を作製する（同(g)）。上記したAlNやAl_1-xSc_xN等の第２の圧電材料から成るターゲットＴに基板Ｓを平行に配置した状態でスパッタを行うと、分極が、基板ホルダ９１に基板Ｓを固定した状態で見てPTOやPZT等の第１の圧電材料で入力側圧電膜１１を作製した場合と同じ方向、すなわち基板Ｓに垂直な一方向に向くように出力側圧電膜１２が形成される。

その後、金属製のターゲットＴＭをターゲットホルダ９２に載置し、ターゲットＴＭをスパッタし、スパッタされたターゲットＴＭの粒子ＳＰＭを出力側圧電膜１２の表面に堆積させる（同(h)）ことにより、第１入力電極１３１を作製する。これにより、本実施形態の圧電トランス１０（図１）が完成する。

本実施形態の圧電トランス１０は、例えば上記の方法によって、入力側圧電膜１１と出力側圧電膜１２を1層ずつ作製すればよいため、出力側の圧電体が複数の圧電膜の積層体である従来の圧電トランスよりも容易に量産することができる。

なお、上記の例では入力側圧電膜１１及び第１入力電極１３１を作製した後に出力側圧電膜１２及び第２出力電極１４２を作製したが、出力側圧電膜１２及び第２出力電極１４２を作製した後に入力側圧電膜１１及び第１入力電極１３１を作製してもよい。

また、上記の例では基板Ｓの表面にスパッタ粒子を堆積させることで入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２を作製したが、その他の方法で入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２を別々に作製したうえで、それらを基板Ｓと貼り合わせるようにしてもよい。

(3) 本実施形態の圧電トランスの動作
圧電トランス１０を使用する際には、第１入力電極１３１と共通電極１５（第２入力電極１３２）の間に交流電圧を入力（印加）する。交流電圧を入力するための交流電力を環境電磁波から得る場合、環境電磁波は互いに周波数が異なる多数の電磁波が重畳しているため、圧電トランス１０に入力される交流電圧もまた、周波数が異なる多数の高周波電圧が重畳したものとなる。

このように高周波電圧が印加されることで、圧電効果によって入力側圧電膜１１に振動が生じる。この振動の波長λ₁は、厚さd₁の半整数分の1（2/1=2, 2/3, 2/5,…2/((2(n-1)+1)：nは自然数）となる。これらnの値が異なるλ₁の各々は、入力された高周波電圧に含まれる多数の周波数のうちの一部であるν_nとの間でν_n×λ₁=v₁、すなわち
ν_n×d₁×2/((2(n-1)+1)=v₁ …(A)
の関係を満たしている。従って、電磁波に含まれる多数の周波数のうち、この関係を満たす周波数のみが振動に変換される。この振動周波数ν_nには通常、nの値が異なる複数の周波数が含まれる。すなわち、入力側圧電膜１１の振動は複数の振動周波数が重畳したものとなる。

このように入力側圧電膜１１に生成された周波数ν_n、波長λ₁の振動は、共通電極１５を介して出力側圧電膜１２に伝わる。これにより、出力側圧電膜１２にも周波数ν_nの振動が生じる。ここで、d₂=(v₂/v₁)d₁、すなわちd₁=(v₁/v₂)d₂であることから、これを(A)式に代入すると、ν_n×(v₁/v₂)d₂×2/((2(n-1)+1)=v₁、すなわち
ν_n×d₂×2/((2(n-1)+1)=v₂ …(B)
となる。(B)式は、出力側圧電膜１２に厚さd₂の半整数分の1（2/1=2, 2/3, 2/5,…2/((2(n-1)+1)：nは自然数）の波長λ₂を有する振動が生じることを意味している。

このように出力側圧電膜１２に振動が生成されることで、圧電効果によって、周波数ν_n、すなわち入力された高周波電圧のうち入力側圧電膜１１の振動周波数に対応する周波数を有する高周波電圧が、共通電極１５（第１出力電極１４１）と第２出力電極１４２の間に生成される。この出力された高周波電圧もまた、通常、複数の周波数が重畳したものとなる。

そして、出力された高周波電圧の値は、入力された高周波電圧の値よりも大きくなる。これは、第２の圧電材料の誘電率ε₂が第１の圧電材料の誘電率ε₁の(d₂/d₁)倍よりも小さいことから、出力側圧電膜１２と共通電極１５と第２出力電極１４２により形成されるコンデンサの（電気的な）インピーダンスZ_o=(jωε₂(S/d₂))が、入力側圧電膜１１と第１入力電極１３１と共通電極１５により形成されるコンデンサのインピーダンスZ_i=(jωε₁(S/d₁))よりも大きくなるためである。

以上のように、本実施形態の圧電トランス１０により、電圧が入力時よりも昇圧された高周波電力を得ることができる。また、圧電トランス１０から出力された高周波電力を整流回路８０に入力することにより、直流電力を得ることができる。

なお、本実施形態の圧電トランス１０は、環境電磁波中に多数重畳して含まれる、互いに周波数が異なる電磁波のうちの一部のみを利用するため、得られる昇圧後の交流電力が微弱なものとなるが、センサ等の消費電力が小さい負荷に対しては問題なく使用することができる。

(4) 本実施形態の圧電トランスに関する実験及び計算結果
図５～図７を用いて、本実施形態の圧電トランス１０を作製したうえで実験を行った結果、及び作製した圧電トランス１０における誘電率や厚さ等のパラメータを用いて計算を行った結果を説明する。

まず、作製した圧電トランス１０における各パラメータを説明する。圧電トランス１０は、入力側圧電膜１１の材料が互いに異なるものを2種類作製した。第１の作製例では、入力側圧電膜１１には厚さd₁=18μm、比誘電率ε₁/ε₀=104、音速v₁=6660m/secであるPTOを、出力側圧電膜１２には厚さd₂=22μm、比誘電率ε₂/ε₀=23、音速v₂=8000m/secであるAl_0.57Sc_0.43N（AlScN：x=0.43）を用いた。第２の作製例では、入力側圧電膜１１には厚さd₁=1.1μm、比誘電率ε₁/ε₀=133、音速v₁=8200m/secであるPbTi_0.53Zr_0.47O₃（PZT：x=0.47）を、出力側圧電膜１２には厚さd₂=1.2μm、比誘電率ε₂/ε₀=23、音速v₂=8000m/secであるAl_0.57Sc_0.43N（AlScN：x=0.43）を用いた。共通電極１５には、第１及び第２の作製例のいずれも、厚さd₃=300μmであるSr_0.96La_0.04TiO₃を用いた。

第１の作製例について、様々な周波数における入力電圧に対する出力電圧の比の値を実験及び計算でそれぞれ求めた結果を図５に示す。この図より、互いに異なる10以上の周波数でそれぞれ高周波電圧が出力されている。入力電圧に対する出力電圧の比は、実験値では最大で約8、計算値では最大で約11となっている。このように、第１の作製例でにおいて、入力電圧から昇圧された出力電圧が得られることが、実験値、計算値の双方から確認された。

次に、第２の作製例について、様々な周波数における入力電圧に対する出力電圧の比の値を実験及び計算でそれぞれ求めた結果を図６に示す。第２の作製例では、第１の作製例よりも、入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２の厚さd₁及びd₂を薄くすることにより、動作する周波数を高くすることを目論んでいる。実験結果、計算結果共に、第１の作製例では100MHz前後の周波数で動作しているのに対して、第２の作製例では最大で約4GHzという第１の作製例よりも高い周波数で動作している。入力電圧に対する出力電圧の比は、実験値では最大で約2、計算値では最大で約8となっている。実験値では計算値よりも入力電圧に対する出力電圧の比が低く抑えられている。これは、実験では設計外の寄生インダクタンスが発生していることによると考えられる。それでもなお、計算値のみならず実験値においても入力電圧から昇圧された出力電圧が得られることが確認された。

次に、入力側圧電膜１１の誘電率ε₁と出力側圧電膜１２の誘電率ε₂の比ε₁/ε₂の値が異なる4つの例（ε₁/ε₂=2, 4, 8）について、入力電圧に対する出力電圧の比を計算で求めた結果を図７に示す。図７において横軸は、圧電トランス１０全体の電気機械結合係数kの2乗と共振のQ値との積であるk²Qで示している。k²Qの値は、入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２の材料に依存する。簡単化のため、いずれの計算においても入力側圧電膜１１内の音速v₁と出力側圧電膜１２内の音速v₂は等しいものとし、それに伴ってd₁/d₂=1とした。ε₁/ε₂及びk²Qがいずれの値を有する場合にも、入力電圧に対する出力電圧の比の値は1よりも大きくなっている。また、k²Qの値が同じである場合同士を対比すると、ε₁/ε₂が大きくなるほど、入力電圧に対する出力電圧の比の値は大きくなっている。

(5) 変形例
上記実施形態は一例であって、本発明の主旨の範囲内で変形することが可能である。

例えば、上記実施形態では入力側圧電膜１１の分極P₁と出力側圧電膜１２の分極P₂がいずれも圧電膜の表面に対して垂直であって互いに逆方向を向いているが、これら分極P₁及びP₂の方向はこれには限定されず、任意の方向とすることができる。

上記実施形態では入力側圧電膜１１と出力側圧電膜１２の間に共通電極１５を設けたが、共通電極１５の代わりに、図８に示すように入力側圧電膜１１に接して第２入力電極１３２Ａを設け、出力側圧電膜１２に接して第１出力電極１４１Ａを設けると共に、第２入力電極１３２Ａと第１出力電極１４１Ａの間に絶縁体製の介在層１５Ａを設けてもよい。

上記実施形態では共通電極１５として入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２よりも厚いものを用いることにより、共通電極１５を入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２を支える基板としても機能させているが、第１入力電極１３１（図９参照）又は第２出力電極１４２に接するように、入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２よりも厚い基板１６を設けてもよい。この場合、共通電極１５Ｂは、入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２よりも薄くすることができる。

また、基板１６の代わりに、音響ブラッグ反射器１７を設けてもよい（図１０参照）。この音響ブラッグ反射器１７は基板としての役割を併せ持つ。音響ブラッグ反射器１７は、音響インピーダンスが異なる2種類の層１７１、１７２を交互に積層したものである。各層１７１、１７２の厚さは、入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２の振動周波数を有する音波のブラッグ反射が生じるように、それら各層１７１、１７２の材料に応じて定める。このような音響ブラッグ反射器１７を設けることにより、入力側圧電膜１１及び出力側圧電膜１２の振動のエネルギーが外部に漏れることを抑えることができる。

１０…圧電トランス
１１…入力側圧電膜
１２…出力側圧電膜
１３１…第１入力電極
１３２、１３２Ａ…第２入力電極
１４１、１４１Ａ…第１出力電極
１４２…第２出力電極
１５…共通電極（兼基板）
１５Ｂ…共通電極
１５Ａ…介在層
１６…基板
１７…音響ブラッグ反射器
１７１、１７２…音響ブラッグ反射器を構成する層
２０…レクテナ
２１…アンテナ
２２…整流回路
２２１…入力端子
２２２…ローパスフィルタ
２２３…ダイオード
２２４…1/4波長線路
２２５…コンデンサ
２２６…出力端子
９０…マグネトロンスパッタ装置
９１…基板ホルダ
９２…ターゲットホルダ

Claims

a) 第１の厚さd₁を有し第１の圧電材料製であって分極が所定の第１方向を向いている入力側圧電膜を1層のみ有し、さらに該入力側圧電膜の両面に設けられた1対の入力電極を有する入力部と、
b) 前記入力側圧電膜に隣接して設けられた、前記第１の厚さd ₁ とは異なる第２の厚さd₂を有し第２の圧電材料製の圧電膜であって、該第２の圧電材料の誘電率ε₂が前記第１の圧電材料の誘電率ε₁の(d₂/d₁)倍よりも小さく、該第２の厚さd₂が該圧電膜内の音速v₂、前記入力側圧電膜内の音速v₁を用いて0.5×(v₂/v₁)d₁≦d₂≦2.0×(v₂/v₁)d₁で表される範囲内であり、分極が所定の第２方向を向いている出力側圧電膜を1層のみ有し、さらに該出力側圧電膜の両面に設けられた1対の出力電極を有する出力部と
を備えることを特徴とする圧電トランス。
さらに、前記入力部又は前記出力部の全体を支持する、前記入力側圧電膜及び前記出力側圧電膜よりも厚い基板を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
前記基板が音響ブラッグ反射器であることを特徴とする請求項２に記載の圧電トランス。
前記入力側圧電膜と前記出力側圧電膜の間の、前記1対の入力電極の一方及び前記1対の出力電極の一方を兼ねる、該入力側圧電膜及び該出力側圧電膜よりも厚い基板を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電トランス。
請求項１～４のいずれか１項に記載の圧電トランスと、
前記入力電極に接続され、50MHz～30GHzの範囲に含まれる周波数帯の電磁波を受信するアンテナと、
前記出力電極に接続され、該出力電極から出力される電力を直流に整流する整流回路と
を備えることを特徴とするレクテナ。