JP2002124715A - 圧電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電材料の使用範囲を他の装置の組立にまで
広げる。 【解決手段】 圧電材料からなる層と強誘電体材料から
なる層とを備え、一方の層に印加された電圧により他方
の層に電圧を生じるようにこれら両層がクランプされて
なる装置。増幅器、変換器、インバータ、及び比較器等
の類似するコンポーネントを実現するためのいくつかの
構成例を示してある。比較器の場合、該装置は、前記二
つの層とともにクランプされた材料からなる第三の層を
備え、該第三の層が強誘電体材料からなる。

Description

【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 (clamped toge
ther) 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、ε_ri，ｄ_33,i，及びｄ_i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Ｓ_3,iは単純に、Ｓ_3,i＝Ｄ_33,iＥ_3,iで
あり、ここに、Ｅ_3,iは対応する電界成分であり、か
つ、このひずみは、Ｔ_3,i＝Ｓ_{3, i}／Ｓ_33,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、Ｔ_3,1を前記材料ｉ内の応力とするとき、Ｔ_3,1
＋Ｔ_3,2＝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）＝Δ
ｄ₁＋Δｄ₂＝０となり、所定の電界で誘導された厚さの
変化は、 ここで、符号＋／−は、前記Ｅ_i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】 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
ｄ_33,1／ｄ_33,2である。

【００１５】上記の非圧縮性極限では、Ｔ_3,1＋Ｔ_3,2＝
０、かつＴ_3,1＝−ｅ_33,1Ｅ_3,i≒−ｅ_33,iＶ_i／ｄ
_i（０）となり、ここで、ｅ_33,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】 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ｅ_33,iｄ₂（０）／ｅ_33,2ｄ_i（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。 Ｔ_3,i＝ｃ_33,iＳ_3,I＝±ｃ_33,i＝ｄ_33,iＥ_3,i ここで、ｃ_33,iは材料ｉの弾剛性である。

【００１８】E_3,I≒Ｖ_i／ｄ_i（０）であるので、出力は
以下の式で表される。

【数３】

【００１９】含まれる唯一の成分を近似するため、ｅ
_33,i＝ｄ_33,iｃ_33,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、ｃ_33,iを得られる。１／ｓ_33,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】

【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）
（Ｔ_3,11＋Ｔ_3,12）＋Ｔ_3,2＝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】 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】

【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１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

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電材料からなる層と強誘電体材料から
   なる層とを備え、一方の層に印加された電圧により他方
   の層に電圧が生じるようにこれら両層がクランプされて
   (clamped together) なる装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、二つの前
   記層の間に共通電極が設けられ、これら両層のうち一方
   の層に入力電極が設けられるとともに他方の層に出力電
   極が設けられ、これら入力電極及び出力電極は、それぞ
   れの層における前記共通電極と反対側に配置されている
   ことを特徴とする装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の装置を備えてな
   る増幅器。
4. 【請求項４】 請求項１又は２に記載の装置を備えてな
   る変換器。
5. 【請求項５】 請求項１又は２に記載の装置を備えてな
   るインバータ。
6. 【請求項６】 請求項１記載の装置を備えてなる比較器
   であって、前記装置がさらに、前記二つの層とともにク
   ランプされた材料からなる第三の層を備え、該第三の層
   が強誘電体材料からなることを特徴する比較器。
7. 【請求項７】 請求項６記載の比較器において、前記各
   層のうちの一層に第一の入力電極が設けられるととも
   に、他の一つの層に第二の入力電極が設けられ、かつ入
   力電極が設けられたこれら二つの層の間に共通電極が設
   けられ、さらに前記第三の層に出力電極が設けられ、前
   記第一及び第二の入力電極は、それぞれの層の前記共通
   電極に対する反対側に設けられていることを特徴とする
   比較器。