专利名称：压电变压器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于多种类型电源的压电变压器。具体地说，本发明涉及一种尺寸小、外形薄、重量轻的电源，其能够实现大容量输出。
背景技术：
传统地，绕线式电磁变压器被用作变压器装置，其被用于如多种类型的家用电器或视听系统之类的电子仪器。由于这种电磁变压器通过绕磁芯缠绕导线而构成，因此需要增加被缠绕导线的数量以便实现高的变压比。此外，由于需要保证耐压，故实现尺寸小、外形薄的电磁变压器是非常困难的。
与这种电磁绕线变压器对比，提出了压电变压器(见专利文件1)。该压电变压器的操作原理完全不同于传统电磁变压器的操作原理。图5示出了单板型压电变压器结构的透视图，这种变压器也就是所谓的罗森型(Rosen-type)压电变压器。以下将参照附图描述这种压电变压器的结构。
在压电体的顶表面和底表面上设置有平面状电极35的部分是驱动部4，并且，驱动部4在其厚度方向上被极化。而且，夹在端面电极36和驱动部4之间的部分是发电部8，并且，发电部8在其长度方向上被极化，其中，端面电极36设置在压电体的端部上。在具有这种结构的压电变压器中，支持件40被连接至相对于长度方向的纵向振动的谐振期间的节点，并且，支持件40被固定至变压器基体(未示出)。在这种状态下，通过在连接至上平面状电极的外部输入电端子37和连接至下平面状电极的外部共用电端子38之间施加交变电压，可在外部共用电端子38和连接至端面输出电极36的外部输出电端子39之间产生电压，其中，上述交变电压具有相对于压电体长度方向的纵向振动的谐振频率。然而，如图5中所示、具备这种单板结构的压电变压器具有几mA量级的输出电流。因而，它不适合于如AD适配器这样需要几A量级输出电流的电源。
使用具有多层结构的压电变压器已经成为一种制作能够实现大容量输出的压电变压器的手段。例如，专利文件2和3公开了这种具有多层结构的压电变压器。在专利文件2所公开的技术中，通过与在驱动部长度方向上的振动一起、在发电部的长度方向上产生振动，从而产生降压电压(step-down voltage)。具有相对于长度方向的主谐振频率的交变电压通过外部输入电端子施加给驱动部，并通过外部输出电端子在发电部处产生降压电压。专利文件3中公开的技术的特征在于施加的是具有三次谐振频率的交变电压。
专利文件1美国专利No.2,830,274专利文件2日本专利公开(Kokai)No.8-153914 A(1996)专利文件3日本专利公开(Kokai)No.5-235432 A(1993)但是，上述技术有以下问题。利用具备多层结构的、在传统压电变压器中使用的多层陶瓷，需要建立压电体和内部电极交替叠置的结构，从而令制造工艺复杂化。
而且，由于在制造多层陶瓷的工艺中，压电体和内部电极在交替叠置之后是一起烧成的，故例如向银(Ag)加入昂贵的钯(Pd)以提高耐热性这样的措施是必要的，从而提高了材料的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电变压器，所述压电变压器能够做得更小、更薄，并能够以低成本实现大容量输出。
在一方面，本发明提供一种压电变压器，所述压电变压器具有支持基板和压电体元件。所述压电体元件形成在所述支持基板的表面上，并具有压电体层，当施加电压到所述压电体层的时候，所述压电体层在其厚度方向上伸张或收缩，并且，当施加压缩力到所述压电体层的时候，所述压电体层产生电压。所述压电变压器的特征在于所述压电体层形成在所述支持基板的表面上。
没有使用原则上难以做得较小、较薄的电磁变压器，而是使用了适于做得较小或较薄的压电变压器。而且，为了实现能够做到大容量输出的压电变压器，需要增大所述变压器的横截面积。在本发明中，这种压电变压器被布置在平面上并并联连接。
所述支持基板设置有具有第一振动方向的第一压电体元件；和具有第二振动方向的第二压电体元件，其中所述第二振动方向与所述第一振动方向交叉。而且，所述第一、第二压电体元件被交替设置在所述支持基板的平面内。通过这种方式，与所述压电变压器的振动关联的、所述基板的振动的影响被消除，从而实现了装置可靠性的提高和振动损坏的减少。这些压电变压器并联连接，并且，各个压电变压器通过同步电路而被同步，从而输出期望电压的大容量电力。
而且，本发明的特征在于一个压电体的振动方向与其相邻压电体的振动方向是相反的。优选地，所述压电体元件包括驱动部侧压电体层和发电部侧压电体层，其中，发电部侧压电体层在所述支持基板的平面方向上连接至所述驱动部侧压电体层，所述驱动部侧压电体层设置有上电极和下电极，电压在所述驱动部侧压电体层的厚度方向上被施加至所述上电极和下电极，并且，所述发电部侧压电体层在与所述厚度方向交叉的侧表面上设置有左电极和右电极。通过这种方式，能够相对于产生在所述驱动部处的畸变执行压电转换，从而在所述左电极和所述右电极之间产生输出电压。
优选所述右电极或所述左电极的一端被固定至一侧壁，而其另一端不被支持在侧壁上而形成自由端。通过这种方式，能够减小影响所述支持基板等的振动。
在另一方面，本发明提供一种压电变压器，其中，多个压电元件被布置在二维平面内的行、列方向上。所述压电变压器具有第一线，所述第一线在列方向上延伸以便在第一平面内连接布置在列方向上的所述压电元件的驱动部侧压电体层；第二线，所述第二线在列方向上延伸，以便在第二平面内连接布置在列方向上的所述压电元件的驱动部侧压电体层，其中，所述第二平面与所述第一平面相对；以及第三和第四线，所述第三和第四线在行方向上延伸，以便在与所述发电部侧压电体层的厚度方向交叉的侧表面上连接所述发电部侧压电体层，其中所述发电部侧压电体层在列方向上连接至所述驱动部侧压电体层。
优选地，所述第一和第二线在行方向上连接彼此相邻的压电元件，并且，所述第一和第二线总体连接布置在列方向上的压电元件。所述第三和第四线在列方向上连接彼此相邻的压电元件，并且，所述第三和第四线总体连接布置在行方向上的压电元件。
基于这种结构，通过在电极线之间施加电压，能够访问任意一组(对)压电变压器。注意，在访问时，在行、列方向上彼此相邻的至少四个压电变压器被操作。
在另一方面，本发明提供一种压电变压器的制造方法。所述方法包括在支持基板上形成牺牲层的步骤；在所述牺牲层上形成第一电极结构的步骤；在所述第一电极结构上形成压电体沉积膜的步骤；将所述压电体沉积膜加工成岛状的步骤；以及在与所述岛状压电体沉积膜的所述第一电极结构相对的位置上形成第二电极结构、并在与上述相对方向交叉的方向上的位置处形成第三和第四电极结构的步骤。利用传统技术中使用的陶瓷在平面上布置压电变压器是困难的。在本发明中，使用了通过沉积压电材料获得的压电薄膜。而且，通过如溅射工艺、化学气相沉积或溶胶-凝胶法之类的半导体方法形成所述压电变压器的沉积膜，并且，该沉积膜通过例如光刻和蚀刻而被图案化。
本发明的并联连接、大容量输出变压器与使用电磁线圈的传统变压器相比被制作得更小、更薄。而且，本发明提供能够实现大容量输出的、并联连接的压电变压器。
而且，制造这种压电变压器的方法比制造压电变压器的传统方法更简单，并且，能够将材料成本保持得更低。因而，本发明能够提供以低成本制造压电变压器的方法。
图1示出根据本发明实施例所述的压电体的基本结构。
图2示出根据该实施例所述的压电变压器的结构，其中，图2A示出沿图3B的线IIa-IIb取得的横剖视图，而图2B示出顶视图。
图3A示出根据本实施例所述、并联连接的压电变压器的透视图。
图3B是其中电极的平面构造被加入图3A的图。
图4示意性地示出根据本实施例所述、并联连接的压电变压器的振动方向，其中，图4A示出主要部分的侧视图，而图4B示出透视图。
图5示出罗森型压电变压器的透视图。
具体实施例方式
首先，将参照附图描述根据本发明实施例所述的压电变压器。根据本实施例所述的压电变压器为并联连接、大容量输出变压器。图1示出根据本实施例所述的压电体的基本结构。如图1A中所示，要成为驱动部4的驱动部侧压电体1和要成为发电部8的发电部侧压电体5由压电材料使用半导体方法，如溅射工艺、MOCVD法(金属有机化学气相沉积法)、MBE法(分子束外延法)、溶胶-凝胶法、或AD法(气溶胶沉积法)形成，并且，驱动部侧压电体1和发电部侧压电体5通过公知的光刻和蚀刻技术被图案化成期望的形状。
而且，驱动部侧压电体1和发电部侧压电体5的定向被控制在它们期望的定向方向，其中，发电部侧压电体5形成为使得它在与其厚度方向交叉的方向上连接至驱动部侧压电体1。在控制定向的方法的一个例子中，例如，根据基底(base)中的不同，可令沉积在基底上的压电材料的定向方向不同。压电变压器使用压电薄膜(膜的厚度为大约20μm)。尽管包括锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)的固溶体作为这样的压电材料而被熟知，但是从关注环境的观点出发，优选使用不含铅的无铅压电材料，如钛酸钡(BaTiO3)或铌酸钾(KNbO3)。在控制定向的方法的一个例子中，例如，根据基底中的不同，可令沉积在基底上的压电材料的定向方向不同。
驱动部侧压电体1在压电体1厚度方向上的顶表面和底表面上分别设置有上电极2和下电极3，并且，输入电压被施加在上电极2和下电极3之间。而且，发电部侧压电体5在交叉到厚度方向的侧表面上设置有左电极6和右电极7。相对于产生在驱动部4处的畸变执行压电转换，从而在左电极6和右电极7之间产生输出电压。例如，铂(Pt)、钌(Ru)或铱(Ir)可被用作电极用的材料。尽管这些电极用材料每克的成本较高，但是由于能够令膜厚薄至几百个nm，故能够以低成本实现制造。例如，尽管Ag、Pd和Pt的价格为大约30日元/克、大约700日元/克和大约3000日元/克，但是，由于根据本实施例所述的电极的膜厚大约为传统压电体的几百分之一，故即便使用Pd或Pt，实际上，与具有使用Ag的传统结构的元件相比，仍然能够以低成本实现制造。
同时，如图1B中所示，包括驱动部4和发电部8的压电体被保持在振动节点10处，并且，与振动关联的转换损耗被抑制。例如，在如图1B中所示的机械振动9期间，为了抑制与振动关联的转换损耗，支持件(未示出)被设置在上电极2上的支持点11、下电极3上的支持点12、左电极6上的支持点13、和右电极7上的支持点14处，支持点11、12、13和14对应于用黑点(·)表示的振动节点10(振动节点10根据驱动频率来确定)。而且，为了将振动方向规整成一个方向，压电体的一个端面15被固定在其中一个节点10处。注意，当变压期间振动较小时(当输出容量较小时)，压电体的一个端面不需要被固定；其是否应该被固定必须根据本领域技术人员的设备规格来确定。
图2示出根据本实施例所述的压电变压器的结构的例子。图2A示出压电变压器的横剖视图(沿图3B的线IIa-IIb取得的横剖视图，图3B将在稍后描述)。绝缘层17被沉积在支持基板16上，其优选沉积在半导体基板上，并且，空气隙18设置在绝缘层17的期望位置。压电体的压电基体27(包括驱动部侧压电体1、发电部侧压电体5、左电极6和右电极7)通过通孔19、21、23和25被电连接至上电极线20、下电极线22、左电极线24和右电极线26，通孔19、21、23和25分别对应于如图1A和1B中所示的上电极2上的节点11、下电极3上的节点12、以及左电极6上的节点13、和右电极7上的节点14。压电基体27被这样的线物理保持。而且，尽管左电极6的端部被固定至绝缘层17的侧壁，但是，右电极7的端部没有被绝缘层17的侧壁支持，而形成自由端。图2B示出压电变压器的顶视图，并且，包括驱动部侧压电体1、发电部侧压电体5、左电极6和右电极7的压电基体27被布置成使得它相对于参照图2A描述的、空气隙18的上轮廓28(绝缘层17上端部的轮廓)和底轮廓29(绝缘层17底端部的轮廓)具有如图2B中所示的位置关系。
在制造图2A中所示结构的方法中，在支持基板16上由下层至上层形成牺牲膜，以便形成每一层的结构。接着，在配线步骤完成之后可形成开口。
图3A示出并联连接的多个这种压电变压器的透视图，而图3B是加入了各自的电极的图3A的压电变压器的透视图。如图3A和3B中所示，以图2B描述的多个压电变压器在支持基板16的平面内被布置在行方向和列方向上。从图3A中可以清楚地看到，并联连接的压电变压器被布置成使得固定至每一个绝缘层17的、压电基体27的左电极6的端部的位置中的每一个相对于其相邻的压电变压器交替设置。也就是，与压电变压器30在行方向上相邻的压电变压器31被布置成使得它相对于压电变压器30旋转180度。相同的关系还应用于列方向。
如图3B中所示，在沿行方向彼此相邻的压电变压器30和31中，下电极22在支持基板16内沿列方向上延伸，以便连接布置在列方向上的多个压电变压器30或压电变压器31。同时参照图2A和2B，沿行方向彼此相邻的压电变压器30和31的压电基体27通过下电极16或上电极线20连接，下电极1 6或上电极线20总体地连接布置在列方向上的压电变压器30和31。同时，在列方向上彼此相邻的压电变压器的压电基体27通过右电极线26或左电极线24连接，右电极线26或左电极线24总体地连接布置在行方向上的压电变压器。利用这种结构，通过在交叉右电极线26或左电极线24和与线26、24交叉的上电极线20或下电极16之间施加电压，能够访问任意一组(对)压电变压器30和31。注意，在访问时，在行、列方向上彼此相邻的四个压电变压器被操作。尽管当然可以通过给电极施加电压来操作更多的压电变压器，但操作是基于一组四个压电变压器的。
图4示意性地示出并联连接的压电变压器的振动方向。如图4A中所示，由于压电基体27的一个端部被固定至绝缘层17而其另一个端部形成自由端，故压电基体27在振动方向32上振动。
图4B示出根据本实施例所述的并联连接的压电变压器中每一个的振动方向32的图。在支持基板16中，通过交替布置压电变压器33和压电变压器34，与压电变压器振动关联的基板振动的影响被消除，从而提高了装置的可靠性并减少了振动损坏，其中，压电变压器33具有从图的前侧到图的后侧的振动方向32，而压电变压器34的振动方向32相对于压电变压器33的振动方向旋转了180度。这些压电变压器并联连接，并且各个压电变压器通过同步电路而被同步，从而输出期望电压的大容量电力。
实施例1在实施例1中，沉积在硅半导体上的压电薄膜被图案化成期望的形状。包括这种图案化压电薄膜的变压器被交替地并联布置，从而使变压器的振动互相抵消。锆钛酸铅(k31＝0.35，k33＝0.65，Qm＝大约2000)被用作压电材料。每一个压电变压器被设计成长2mm且宽1mm，10片×10片的压电变压器被布置在硅基板上(芯片总面积30mm×20mm)，并且，各个压电变压器并联连接。作为这种原型的结果，实现了降压比为0.1、输出功率为50W的压电变压器。
如上所述，根据本实施例所述的并联连接、大容量输出变压器可提供这样的压电变压器，该压电变压器可比使用电磁线圈的传统变压器做得更小和更薄。而且，可以提供能够实现大容量输出的并联连接压电变压器。此外，由于可令制造工艺更简单并可将材料成本保持得更低，故与用于制造压电变压器的传统方法相比，可提供用于压电变压器的低成本制造方法。
本发明可被用作压电变压器。
权利要求
1.一种压电变压器，包括支持基板；和压电体元件，所述压电体元件形成在所述支持基板的表面上，所述压电体元件具有压电体层，当给所述压电体层施加电压的时候，所述压电体层在其厚度方向上伸张或收缩，并且，当施加压缩力到所述压电体层的时候，所述压电体层产生电压，其中，所述压电体层形成在所述支持基板的表面上。
2.如权利要求1所述的压电变压器，其中，所述支持基板设置有具有第一振动方向的第一压电体元件；和具有第二振动方向的第二压电体元件，其中所述第二振动方向与所述第一振动方向交叉。
3.如权利要求2所述的压电变压器，其中，所述第一压电体元件和所述第二压电体元件被交替设置在所述支持基板的平面内。
4.如权利要求1所述的压电变压器，其中，所述压电体的振动方向与其相邻压电体的振动方向是相反的。
5.如权利要求1所述的压电变压器，其中，所述压电体元件包括驱动部侧压电体层和发电部侧压电体层，其中，所述发电部侧压电体层在所述支持基板的平面方向上连接至所述驱动部侧压电体层，并且其中，所述驱动部侧压电体层设置有上电极和下电极，电压在所述驱动部侧压电体层的厚度方向上被施加至所述上电极和下电极，并且，所述发电部侧压电体层在与所述发电部侧压电体层的厚度方向交叉的方向上的侧表面上设置有左电极和右电极。
6.如权利要求5所述的压电变压器，其中，所述右电极或所述左电极的一端被固定至侧壁，而其另一端不是被支持在侧壁上，而是形成自由端。
7.如权利要求1所述的压电变压器，其中，所述压电体层是沉积膜。
8.一种压电变压器，其中，多个压电元件被二维地布置在行、列方向上，所述压电变压器包括第一线，所述第一线在列方向上延伸以便在第一平面上连接布置在列方向上的所述压电元件的驱动部侧压电体层；第二线，所述第二线在列方向上延伸，以便在第二平面上连接布置在列方向上的所述压电元件的驱动部侧压电体层，其中，所述第二平面与所述第一平面相对；以及第三和第四线，所述第三和第四线在行方向上延伸，以便在与所述发电部侧压电体层的厚度方向交叉的方向上的侧表面上连接发电部侧压电体层，其中所述发电部侧压电体层在列方向上连接至所述驱动部侧压电体层。
9.如权利要求8所述的压电变压器，其中，所述第一和第二线在行方向上连接彼此相邻的压电元件，并且，所述第一和第二线还总体连接布置在列方向上的压电元件，以及其中，所述第三和第四线在列方向上连接彼此相邻的压电元件，并且，所述第三和第四线还总体连接布置在行方向上的压电元件。
10.一种压电变压器的制造方法，包括在支持基板上形成牺牲层；在所述牺牲层上形成第一电极结构；在所述第一电极结构上形成压电体沉积膜；将所述压电体沉积膜加工成岛状；以及在与所述岛状压电体沉积膜的所述第一电极结构相对的位置处形成第二电极结构、并在与上述相对方向交叉的方向上的位置处形成第三和第四电极结构。
11.如权利要求10所述的压电变压器的制造方法，其中，溅射工艺、化学气相沉积法、分子束外延法、溶胶-凝胶法、或气溶胶沉积法被用在形成所述压电沉积膜的步骤中。
全文摘要
以低成本提供了一种小、薄、轻并能够实现大容量输出的压电变压器。在沿行方向彼此相邻的压电变压器中，下电极在支持基板内沿列方向延伸，以便连接布置在列方向上的多个压电变压器。同时参照图2(A)和2(B)，在行方向上彼此相邻的压电变压器的压电基体通过下电极或上电极线连接，所述下电极或上电极线总体地连接布置在列方向上的压电变压器。同时，在列方向上彼此相邻的压电变压器的压电基体通过右电极线或左电极线连接，所述右电极线或左电极线总体地连接布置在行方向上的压电变压器。利用这种结构，通过在交叉右电极线或左电极线和与上述线交叉的上电极线或下电极之间施加电压，能够访问任意一组(对)压电变压器。注意，在访问时，在行、列方向上彼此相邻的四个压电变压器被操作。尽管当然可以通过给电极施加电压来操作更多的压电变压器，但操作是基于一组四个压电变压器的。
文档编号H01L41/22GK1988198SQ20061016881
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月14日 优先权日2005年12月19日
发明者大木博, 塚田康博 申请人:夏普株式会社