JP2014175484A - Piezoelectric transformer, mounting structure of piezoelectric transformer, and wireless power transmission system - Google Patents

Piezoelectric transformer, mounting structure of piezoelectric transformer, and wireless power transmission system Download PDF

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敬一 市川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact piezoelectric transformer ensuring high efficiency energy conversion even if the drive frequency is increased, and to provide its mounting structure, and a wireless power transmission system including the piezoelectric transformer.SOLUTION: A piezoelectric transformer 100 includes a piezoelectric plate 110. The piezoelectric plate 110 includes regions L1, L2, L3. The region L1 is provided at one end in the length direction, and is a non-polarization part having a length of λ/2. The region L2 is adjacent to the region L1 in the length direction, polarized in the length direction, and has a length mλ/2(m is an integer between 1 and (n-2)). The region L3 is adjacent to the region L2 in the length direction, polarized in the length direction or the thickness direction, and has a length (n-m-1)λ/2. External electrodes 120, 130 are provided in the region L1, and arranged to face each other. External electrodes 140, 150 are provided in the region L3, and arranged to face each other in the polarization direction of the region L3.

Description

本発明は、圧電体板に各種電極が形成されて、電気機械的振動により電圧変換を行う圧電トランス、その実装構造およびワイヤレス電力伝送システムに関する。   The present invention relates to a piezoelectric transformer in which various electrodes are formed on a piezoelectric plate and performs voltage conversion by electromechanical vibration, a mounting structure thereof, and a wireless power transmission system.

近年、携帯電話機またはモバイルPCなどの電子機器を充電する際、電子機器に充電用のケーブルを接続するといった煩わしさを無くすために、充電装置に電子機器を設置するだけで充電できるワイヤレス充電システムが提案されている。このようなワイヤレス電力伝送の方式として、準静電界を利用して送電装置(充電装置)側から受電装置(電子機器)側へ電力を伝送する電界結合方式が知られている(例えば、特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art In recent years, when charging an electronic device such as a mobile phone or a mobile PC, a wireless charging system that can be charged only by installing the electronic device in a charging device has been provided to eliminate the trouble of connecting a charging cable to the electronic device. Proposed. As such a wireless power transmission method, an electric field coupling method is known in which electric power is transmitted from a power transmission device (charging device) side to a power reception device (electronic device) side using a quasi-electrostatic field (for example, Patent Documents). 1).

特許文献1に記載の電力伝送システムは、パッシブ電極およびアクティブ電極をそれぞれ備えた送電装置および受電装置で構成されている。そして、送電装置のアクティブ電極と受電装置のアクティブ電極とが間隙を介して近接することにより、この二つの電極間に強い電界が形成され、電極同士が電界結合する。   The power transmission system described in Patent Document 1 includes a power transmission device and a power reception device each including a passive electrode and an active electrode. And when the active electrode of a power transmission apparatus and the active electrode of a power receiving apparatus adjoin through a gap | interval, a strong electric field is formed between these two electrodes, and electrodes couple | bond together by an electric field.

ところで、一般に電力伝送系の伝送効率を高める手法では、低損失な共振回路を組み込むことが有効である。この共振回路は、送電装置および受電装置の結合部の静電容量とインダクタとで構成される。近年、小型化および薄型化が進んでいる装置にこの共振回路を組み込むためには、共振回路の小型化かつ低損失化の実現が課題となる。その課題を解決する一つの方法として、インダクタに圧電デバイスを用いることが有効とされている。   By the way, in general, it is effective to incorporate a low-loss resonance circuit in a technique for increasing the transmission efficiency of a power transmission system. This resonance circuit is composed of an electrostatic capacity and an inductor of a coupling portion between the power transmission device and the power reception device. In order to incorporate this resonance circuit into a device that has been reduced in size and thickness in recent years, it is necessary to realize a reduction in the size of the resonance circuit and a reduction in loss. As one method for solving the problem, it is effective to use a piezoelectric device for the inductor.

図16は、特許文献2に記載の圧電デバイスおよび圧電デバイスの変位を示す図である。特許文献2には、図16に示すような、圧電デバイスの一つである対称構造のローゼン三次型圧電トランスが開示されている。特許文献2に記載の圧電トランスは矩形板状の圧電体板200を備えている。圧電体板200の両端部は、上下面に平面状の入力電極201A,201Bおよび入力電極202A,202Bが設けられている。圧電体板200は、これら各電極が駆動部とされていて、厚み方向に分極されている。また、圧電体板200の中央部は、上下面に出力電極203A,203Bが設けられて発電部とされていて、長さ方向に分極されている。   FIG. 16 is a diagram illustrating the piezoelectric device described in Patent Document 2 and displacement of the piezoelectric device. Patent Document 2 discloses a Rosen tertiary type piezoelectric transformer having a symmetrical structure as one of piezoelectric devices as shown in FIG. The piezoelectric transformer described in Patent Document 2 includes a piezoelectric plate 200 having a rectangular plate shape. At both ends of the piezoelectric plate 200, planar input electrodes 201A and 201B and input electrodes 202A and 202B are provided on the upper and lower surfaces. In the piezoelectric plate 200, each of these electrodes serves as a drive unit and is polarized in the thickness direction. Further, the central portion of the piezoelectric plate 200 is provided with output electrodes 203A and 203B on the upper and lower surfaces to form a power generation unit, and is polarized in the length direction.

この圧電トランスの振動は、図16の下部の波形図に示すように、長手方向の中央および中央から両端方向へλ/2離れたところで振動変位がゼロとなるいわゆるノード点となり、両端と両端から内側へλ/2の点とで振動変位が最大となる。そして、入力電極201A,201B間および入力電極202A,202B間に電圧が印加されると、圧電効果と逆圧電効果との作用により、出力電極203Aから昇圧された高電圧が取り出される。   As shown in the waveform diagram at the bottom of FIG. 16, the vibration of this piezoelectric transformer becomes a so-called node point where the vibration displacement becomes zero at a distance of λ / 2 from the center in the longitudinal direction and from the center to both ends. The vibration displacement becomes maximum at a point of λ / 2 inward. When a voltage is applied between the input electrodes 201A and 201B and between the input electrodes 202A and 202B, a high voltage boosted from the output electrode 203A is extracted by the action of the piezoelectric effect and the inverse piezoelectric effect.

特表2009−531009号公報Special table 2009-531009 特許第3080052号公報Japanese Patent No. 3080052

電界結合方式を利用したワイヤレス電力伝送において、受電装置の小型化のために、アクティブ電極間の容量結合インピーダンスを低くすることが望まれるが、この場合、送電装置から送出する電圧の周波数を高くすることで実現できる。しかしながら、受電装置の小型化の要請に伴い圧電トランスの素子サイズが小さくなると、圧電トランスの振動状態が実装部の影響を受けやすくなる、耐圧が低下する、熱容量が小さいため温度上昇し易く、変換効率も低下するといった問題がある。   In wireless power transmission using the electric field coupling method, it is desirable to reduce the capacitive coupling impedance between the active electrodes in order to reduce the size of the power receiving device. In this case, the frequency of the voltage transmitted from the power transmitting device is increased. This can be achieved. However, if the element size of the piezoelectric transformer is reduced due to the demand for downsizing of the power receiving device, the vibration state of the piezoelectric transformer becomes more susceptible to the mounting part, the withstand voltage decreases, the heat capacity is small, and the temperature easily rises. There is a problem that efficiency is lowered.

そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑み、駆動周波数が高周波数化しても高効率なエネルギー変換が可能な小型の圧電トランス、その実装構造、およびその圧電トランスを備えたワイヤレス電力伝送システムを提供することにある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a compact piezoelectric transformer capable of high-efficiency energy conversion even when the drive frequency is increased, a mounting structure thereof, and a wireless power transmission system including the piezoelectric transformer. It is to provide.

(1)本発明に係る圧電トランスは、n次(nは3以上の整数)の縦振動モードを利用してなる。当該圧電トランスは、圧電体板を備える。圧電体板は、共振周波数での1波長をλで表すと、nλ/2の長さ、λ/2未満の幅、およびλ/2未満の厚みを有する。 (1) The piezoelectric transformer according to the present invention uses an n-order (n is an integer of 3 or more) longitudinal vibration mode. The piezoelectric transformer includes a piezoelectric plate. The piezoelectric plate has a length of nλ / 2, a width of less than λ / 2, and a thickness of less than λ / 2 when one wavelength at the resonance frequency is represented by λ.

圧電体板は、高電圧部、中間部および低電圧部を含む。高電圧部は、長さ方向における一端部に設けられ、長さがλ/2である非分極部である。中間部は、長さ方向に沿って高電圧部に隣接し、長さ方向に分極され、長さがmλ/2(mは1以上(n−2)以下の整数)である。低電圧部は、長さ方向に沿って中間部に隣接し、長さ方向または厚み方向に分極され、長さが(n−m−1)λ/2である。   The piezoelectric plate includes a high voltage part, an intermediate part, and a low voltage part. The high voltage portion is a non-polarized portion provided at one end in the length direction and having a length of λ / 2. The intermediate portion is adjacent to the high voltage portion along the length direction, is polarized in the length direction, and has a length of mλ / 2 (m is an integer of 1 to (n−2)). The low voltage portion is adjacent to the intermediate portion along the length direction, is polarized in the length direction or the thickness direction, and has a length of (n−m−1) λ / 2.

また、本発明に係る圧電トランスは、第1電極、第2電極、第3電極および第4電極を備える。第1電極および第2電極は、高電圧部に設けられ、それぞれ対向配置されている。第3電極および第4電極は、低電圧部に設けられ、低電圧部の分極方向に沿ってそれぞれ対向配置されている。   The piezoelectric transformer according to the present invention includes a first electrode, a second electrode, a third electrode, and a fourth electrode. The first electrode and the second electrode are provided in the high voltage portion and are arranged to face each other. The third electrode and the fourth electrode are provided in the low voltage part, and are arranged to face each other along the polarization direction of the low voltage part.

この構成では、高電圧部が圧電体板の端に配されているため、低電圧部との間隙が一箇所存在するだけであるので、高電圧部の容量を低減することができる。したがって、圧電トランス全体を小型でかつ変圧比を大きくすることができるとともに並列で使用することが容易になる。また、圧電トランスの振動最大部で配線しなくてもよいため、圧電トランスの実装時における信頼性を向上させることができる。   In this configuration, since the high voltage portion is arranged at the end of the piezoelectric plate, there is only one gap with the low voltage portion, so the capacity of the high voltage portion can be reduced. Therefore, the entire piezoelectric transformer can be reduced in size and the transformation ratio can be increased, and can be easily used in parallel. Further, since it is not necessary to perform wiring at the maximum vibration portion of the piezoelectric transformer, reliability at the time of mounting the piezoelectric transformer can be improved.

また、この構成では、高周波、高電圧で駆動させることができるため、圧電トランスの使用自由度を向上させることができる。また、低電圧部における配線の引き回しを簡単にすることができるため、圧電トランス全体を小型化することができる。さらに、圧電トランスを実装した際に振動阻害を低減することができるため、高効率伝送が可能となる。また、高電圧部の電極幅を相対的に大きくできるので、実装性が向上する。   Further, in this configuration, since it can be driven at a high frequency and a high voltage, the degree of freedom of use of the piezoelectric transformer can be improved. Moreover, since the wiring of the low voltage part can be simplified, the entire piezoelectric transformer can be reduced in size. Furthermore, since vibration inhibition can be reduced when a piezoelectric transformer is mounted, high-efficiency transmission is possible. In addition, since the electrode width of the high voltage portion can be relatively increased, the mountability is improved.

(2)前記低電圧部は、長さ方向に沿って(n−m−1)等分されて構成された複数の領域を有し、これらの領域のそれぞれは、隣接する領域の分極方向とは逆方向に分極され、前記第3電極および前記第4電極は、前記複数の領域それぞれに設けられていることが好ましい。この構成により、駆動周波数を高周波数化しても、素子サイズが小さくなりすぎないので、実装部の影響を受けにくい。 (2) The low voltage portion includes a plurality of regions that are divided into (nm-1) equal parts along the length direction, and each of these regions has a polarization direction of an adjacent region. Is polarized in the opposite direction, and the third electrode and the fourth electrode are preferably provided in each of the plurality of regions. With this configuration, even if the drive frequency is increased, the element size does not become too small, so that it is not easily affected by the mounting portion.

(3)上記(2)において、隣接する領域に設けられた前記第3電極同士を接続する第1接続電極と、隣接する領域に設けられた前記第4電極同士を接続する第2接続電極とを備えていることが好ましい。これにより、実装先のプリント基板との接続箇所数が増大することがない。 (3) In the above (2), a first connection electrode that connects the third electrodes provided in adjacent regions, and a second connection electrode that connects the fourth electrodes provided in adjacent regions; It is preferable to provide. Thereby, the number of connection places with the printed circuit board of the mounting destination does not increase.

(4)前記低電圧部は前記厚み方向に分極されていて、
前記第3電極および前記第4電極は、幅方向に沿って対向する前記圧電体板の両側面に設けられた第1外部電極および第2外部電極と、前記厚み方向に沿って前記低電圧部の内部に積層され、交互に前記第1外部電極および前記第2外部電極に接続している複数の内部電極と、を有することが好ましい。この構造により、電圧変換比を大きくでき、低電圧部の電極間インピーダンスをより低くできる。
(4) The low voltage portion is polarized in the thickness direction,
The third electrode and the fourth electrode include a first external electrode and a second external electrode provided on both side surfaces of the piezoelectric plate facing in the width direction, and the low voltage portion in the thickness direction. And a plurality of internal electrodes that are alternately connected to the first external electrode and the second external electrode. With this structure, the voltage conversion ratio can be increased, and the interelectrode impedance of the low voltage portion can be further reduced.

(5)前記低電圧部は前記長さ方向に分極されていて、
前記第3電極および前記第4電極は、幅方向に沿って対向する前記圧電体板の両側面に設けられた第1外部電極および第2外部電極と、前記長さ方向に沿って前記低電圧部の内部に積層され、交互に前記第1外部電極および前記第2外部電極に接続している複数の内部電極と、を有することが好ましい。この構造により、電圧変換比を大きくでき、低電圧部の電極間インピーダンスをより低くできる。
(5) The low voltage portion is polarized in the length direction,
The third electrode and the fourth electrode include a first external electrode and a second external electrode provided on both side surfaces of the piezoelectric plate facing in the width direction, and the low voltage along the length direction. It is preferable to have a plurality of internal electrodes stacked inside the portion and alternately connected to the first external electrode and the second external electrode. With this structure, the voltage conversion ratio can be increased, and the interelectrode impedance of the low voltage portion can be further reduced.

(6)前記圧電体板はセラミックシートが積層されて構成されたものであることが好ましい。この構造により、内部に電極を形成できるとともに、電極間隔を狭くでき、電圧当たりの変位量を大きくでき、高効率化できる。 (6) Preferably, the piezoelectric plate is configured by laminating ceramic sheets. With this structure, the electrodes can be formed inside, the distance between the electrodes can be narrowed, the amount of displacement per voltage can be increased, and the efficiency can be increased.

(7)上記(1)〜(6)のいずれかに記載の圧電トランスをプリント基板へ実装する構造としては、第1電極、第2電極、第3電極および第4電極は、圧電トランスの実装面を底面とした場合の側面にそれぞれ形成されていて、高電圧部の長さ方向における中点、および低電圧部の長さ方向におけるλ/2毎の中点が支持されてプリント基板に実装されていることが好ましい。この実装構造により、圧電トランスとプリント基板との機械的干渉が抑制され、圧電トランスの効率低下を抑制できる。 (7) As a structure for mounting the piezoelectric transformer according to any one of (1) to (6) on a printed board, the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the fourth electrode are mounted on the piezoelectric transformer. It is formed on the side surface when the surface is the bottom surface, and the middle point in the length direction of the high voltage part and the middle point in every length direction of the low voltage part are supported and mounted on the printed circuit board. It is preferable that With this mounting structure, mechanical interference between the piezoelectric transformer and the printed board is suppressed, and a decrease in efficiency of the piezoelectric transformer can be suppressed.

(8)上記(3)に記載の圧電トランスをプリント基板への実装構造としては、低電圧部の各領域のうち、中間部と接している領域の長さ方向における中点、および高電圧部の長さ方向における中点が支持されてプリント基板に実装されていることが好ましい。この実装構造により、圧電トランスとプリント基板との機械的干渉が抑制され、圧電トランスの効率低下を抑制できる。 (8) The piezoelectric transformer according to (3) described above is mounted on a printed circuit board as a structure in which the middle point in the length direction of the region in contact with the intermediate portion among the regions of the low voltage portion, and the high voltage portion It is preferable that the middle point in the length direction is supported and mounted on the printed circuit board. With this mounting structure, mechanical interference between the piezoelectric transformer and the printed board is suppressed, and a decrease in efficiency of the piezoelectric transformer can be suppressed.

(9)本発明のワイヤレス電力伝送システムは、
送電側アクティブ電極、送電側パッシブ電極、並びに、前記送電側アクティブ電極及び送電側パッシブ電極間に電圧を印加する電圧発生回路を有する送電装置と、
該送電装置に載置した場合に、前記送電側アクティブ電極に対して対向する受電側アクティブ電極、前記送電側パッシブ電極に対して対向又は接触する受電側パッシブ電極、前記受電側アクティブ電極及び受電側パッシブ電極の間に生じる電圧を降圧する降圧回路、並びに、前記降圧回路の出力電圧を電源電圧として入力する負荷回路を有する受電装置と、を備え、前記送電側アクティブ電極と前記受電側アクティブ電極とが間隙を介して対向し、容量結合することにより前記送電装置側から前記受電装置側へ電力伝送するワイヤレス電力伝送システムにおいて、
前記電圧発生回路に上記(1)に記載の圧電トランスを用いて昇圧する。または前記降圧回路に上記(1)に記載の圧電トランスを用いて降圧する。
(9) The wireless power transmission system of the present invention
A power transmission device having a power generation side active electrode, a power transmission side passive electrode, and a voltage generation circuit for applying a voltage between the power transmission side active electrode and the power transmission side passive electrode;
A power receiving side active electrode facing the power transmitting side active electrode, a power receiving side passive electrode facing or contacting the power transmitting side passive electrode, the power receiving side active electrode, and the power receiving side when mounted on the power transmitting device A step-down circuit for stepping down a voltage generated between the passive electrodes, and a power receiving device having a load circuit for inputting the output voltage of the step-down circuit as a power supply voltage, the power transmission side active electrode and the power receiving side active electrode, In a wireless power transmission system in which power is transmitted from the power transmission device side to the power reception device side by facing through a gap and capacitively coupling,
The voltage generating circuit is boosted using the piezoelectric transformer described in (1) above. Alternatively, the voltage is stepped down using the piezoelectric transformer described in (1) above in the step-down circuit.

本発明によれば、高電圧部の容量を低減することができ、圧電トランス全体を小型でかつ変圧比を大きくすることができる。また、並列で使用することが容易になる。また、圧電トランスの振動最大部で配線しなくてもよいため、圧電トランスの実装時における信頼性が向上する。また、高周波、高電圧で駆動させることができるため、圧電トランスの使用自由度を向上させることができる。また、低電圧部における配線の引き回しを簡単にすることができるため、圧電トランス全体を小型化することができる。   According to the present invention, the capacity of the high voltage section can be reduced, the entire piezoelectric transformer can be reduced in size, and the transformation ratio can be increased. Moreover, it becomes easy to use in parallel. Further, since it is not necessary to wire at the maximum vibration portion of the piezoelectric transformer, the reliability at the time of mounting the piezoelectric transformer is improved. In addition, since it can be driven at a high frequency and a high voltage, the degree of freedom of use of the piezoelectric transformer can be improved. Moreover, since the wiring of the low voltage part can be simplified, the entire piezoelectric transformer can be reduced in size.

本発明の第1実施形態に係る圧電トランスの斜視図である。1 is a perspective view of a piezoelectric transformer according to a first embodiment of the present invention. 図1のII−II線の断面図である。It is sectional drawing of the II-II line of FIG. 図1のIII−III線の断面図である。It is sectional drawing of the III-III line | wire of FIG. 図1のIV−IV線の断面図である。It is sectional drawing of the IV-IV line of FIG. 本発明の第1実施形態に係る圧電トランスにおける応力および変位を示す図である。It is a figure which shows the stress and displacement in the piezoelectric transformer which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る基板上に圧電トランスを実装する際の実装形式を示す図である。It is a figure which shows the mounting format at the time of mounting a piezoelectric transformer on the board | substrate which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る圧電トランスの平面図である。1 is a plan view of a piezoelectric transformer according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る圧電トランスの斜視図である。It is a perspective view of the piezoelectric transformer which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る圧電トランスにおける応力および変位を示す図である。It is a figure which shows the stress and displacement in the piezoelectric transformer which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る圧電トランスの斜視図である。It is a perspective view of the piezoelectric transformer which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る送電装置および受電装置の構成を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the structure of the power transmission apparatus and power receiving apparatus which concern on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る圧電トランスの斜視図である。It is a perspective view of the piezoelectric transformer which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る圧電トランスにおける応力および変位を示す図である。It is a figure which shows the stress and displacement in the piezoelectric transformer which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る圧電トランスを回路に組み込んだ状態を示す図である。It is a figure which shows the state which incorporated the piezoelectric transformer which concerns on 5th Embodiment of this invention in the circuit. 本発明の第5実施形態に係る圧電トランスを回路に組み込んだ状態を示す図である。It is a figure which shows the state which incorporated the piezoelectric transformer which concerns on 5th Embodiment of this invention in the circuit. 本発明の第5実施形態に係る圧電トランスを回路に組み込んだ状態を示す図である。It is a figure which shows the state which incorporated the piezoelectric transformer which concerns on 5th Embodiment of this invention in the circuit. 本発明の第5実施形態に係る圧電トランスを回路に組み込んだ状態を示す図である。It is a figure which shows the state which incorporated the piezoelectric transformer which concerns on 5th Embodiment of this invention in the circuit. 特許文献2に記載の圧電デバイスおよび圧電デバイスの変位を示す図である。It is a figure which shows the displacement of the piezoelectric device described in patent document 2, and a piezoelectric device.

以下、本発明の実施形態に係る圧電トランスを、図面を参照しつつ詳細に説明する。   Hereinafter, a piezoelectric transformer according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

《第1の実施形態》
図1は、第1の実施形態の圧電トランスの斜視図である。図2は図1のII−II線の断面図である。図3は図1のIII−III線の断面図である。図4は図1のIV−IV線の断面図である。なお、図1は透視図としているが、内部電極の図示は省略している。
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a perspective view of the piezoelectric transformer according to the first embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. Although FIG. 1 is a perspective view, the internal electrodes are not shown.

圧電トランス100は、3次の縦振動モードを利用してなる。圧電トランス100は、長さL、厚みT、幅Wを有する矩形板状の圧電体板110を備えている。圧電体板110はPZT系セラミックスなどから形成されている。圧電トランス100は、3λ/2共振モードで振動するものとする。ここで、λは圧電体板110における振動の1波長である。従って、長さLは3λ/2である。ここで、厚みTおよび幅Wはλ/2未満とすることが好ましい。厚みTおよび幅W方向の振動が長さ方向の振動に結合せず、スプリアスが抑制されるからである。   The piezoelectric transformer 100 uses a third-order longitudinal vibration mode. The piezoelectric transformer 100 includes a rectangular plate-shaped piezoelectric body plate 110 having a length L, a thickness T, and a width W. The piezoelectric plate 110 is made of PZT ceramics or the like. The piezoelectric transformer 100 is assumed to vibrate in the 3λ / 2 resonance mode. Here, λ is one wavelength of vibration in the piezoelectric plate 110. Therefore, the length L is 3λ / 2. Here, the thickness T and the width W are preferably less than λ / 2. This is because the vibration in the thickness T and width W directions is not coupled to the vibration in the length direction, and spurious is suppressed.

圧電体板110は、長手方向に3等分して、それぞれの長さをL/3(すなわち、λ/2)とした領域L1,L2,L3を有している。領域L1,L3は、圧電体板110の長手方向の両端部に位置し、領域L2は領域L1,L3の間に介在している。領域L1は、非分極の高電圧部である。領域L2は、長さ方向に分極されている中間部である。領域L3は、厚み方向に分極されている低電圧部である。   The piezoelectric plate 110 has regions L1, L2, and L3 that are divided into three equal parts in the longitudinal direction and have respective lengths of L / 3 (ie, λ / 2). The regions L1 and L3 are located at both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric plate 110, and the region L2 is interposed between the regions L1 and L3. The region L1 is a non-polarized high voltage part. The region L2 is an intermediate portion that is polarized in the length direction. The region L3 is a low voltage portion that is polarized in the thickness direction.

圧電体板110の領域L1の側面には、互いに対向する外部電極120,130が形成されている。圧電体板110の領域L3の側面には、互いに対向する外部電極140,150が形成されている。領域L2は前述のように分極されているので、外部電極(120,130)と外部電極(140または150)との間に交流電圧が印加されると、逆圧電効果により、長さ方向の縦振動が励振され、圧電体板110の全体が長さ方向に振動(縦振動モードで振動)する。これにより、低電圧部L3では圧電効果により、外部電極140,150間に電圧が発生する。   On the side surface of the region L1 of the piezoelectric plate 110, external electrodes 120 and 130 facing each other are formed. On the side surface of the region L3 of the piezoelectric plate 110, external electrodes 140 and 150 facing each other are formed. Since the region L2 is polarized as described above, when an AC voltage is applied between the external electrode (120, 130) and the external electrode (140 or 150), the longitudinal direction in the longitudinal direction is caused by the inverse piezoelectric effect. The vibration is excited, and the entire piezoelectric plate 110 vibrates in the length direction (vibrates in the longitudinal vibration mode). As a result, a voltage is generated between the external electrodes 140 and 150 in the low voltage portion L3 due to the piezoelectric effect.

なお、外部電極120は本発明の第1電極に相当し、外部電極130は本発明の第2電極に相当し、外部電極140は本発明の第3電極に相当し、外部電極150は本発明の第4電極に相当する。   The external electrode 120 corresponds to the first electrode of the present invention, the external electrode 130 corresponds to the second electrode of the present invention, the external electrode 140 corresponds to the third electrode of the present invention, and the external electrode 150 corresponds to the present invention. Corresponds to the fourth electrode.

図2は図1のII−II線の断面図である。図3は図1のIII−III線の断面図である。図4は図1のIV−IV線の断面図である。   2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.

領域L1には、外部電極120,130に導通し、幅W方向に延びる内部電極131が複数個形成されている。   In the region L1, a plurality of internal electrodes 131 that are electrically connected to the external electrodes 120 and 130 and extend in the width W direction are formed.

また、領域L3には、外部電極140と外部電極150との間において幅W方向に延びる内部電極141,151が複数個形成されている。内部電極141,151は、それぞれが層方向に対向するように配置されている。   A plurality of internal electrodes 141 and 151 extending in the width W direction are formed between the external electrode 140 and the external electrode 150 in the region L3. The internal electrodes 141 and 151 are arranged so as to face each other in the layer direction.

これらの構造、すなわち積層構造とすることで、変圧比を大きくすることができる。   By using these structures, that is, a laminated structure, the transformation ratio can be increased.

図5は、圧電トランスにおける応力および変位を示す図である。圧電体板110に重ねて表した正弦波状の曲線は圧電体板110に掛かる応力、図5下部の波形は圧電体板110の振動変位をそれぞれ表している。   FIG. 5 is a diagram showing stress and displacement in the piezoelectric transformer. The sinusoidal curve superimposed on the piezoelectric plate 110 represents the stress applied to the piezoelectric plate 110, and the waveform in the lower part of FIG. 5 represents the vibration displacement of the piezoelectric plate 110.

圧電トランス100の振動は、領域L1,L2,L3それぞれの長手方向の中央において振動変位がゼロとなるいわゆるノード点となり、領域L1,L2,L3それぞれの長手方向の両端において最大変位となっている。また、圧電トランス100は、領域L1および領域L3のノード点において支持および配線される。   The vibration of the piezoelectric transformer 100 becomes a so-called node point where the vibration displacement becomes zero at the center in the longitudinal direction of each of the regions L1, L2, and L3, and the maximum displacement at both ends in the longitudinal direction of each of the regions L1, L2, and L3. . The piezoelectric transformer 100 is supported and wired at the node points of the region L1 and the region L3.

図6は、圧電トランスのプリント基板に対する実装構造を示す図である。   FIG. 6 is a view showing a mounting structure of a piezoelectric transformer on a printed circuit board.

圧電トランス100は、はんだを介して可撓性基板101と接続している。また、可撓性基板101は、はんだを介してプリント基板200と接続している。すなわち、圧電トランス100は、プリント基板200から離間した状態で可撓性基板101を介してプリント基板200に実装される。   The piezoelectric transformer 100 is connected to the flexible substrate 101 via solder. Further, the flexible substrate 101 is connected to the printed circuit board 200 through solder. That is, the piezoelectric transformer 100 is mounted on the printed board 200 via the flexible board 101 in a state of being separated from the printed board 200.

この構成により、圧電トランス100の振動が実装基板200に漏れることがなく、圧電トランス100の振動を閉じ込めることができるため、効率の高い電力伝送を実現できる。また、はんだ部の接続信頼性を確保することができる。   With this configuration, the vibration of the piezoelectric transformer 100 does not leak to the mounting substrate 200 and the vibration of the piezoelectric transformer 100 can be confined, so that highly efficient power transmission can be realized. Moreover, the connection reliability of a solder part is securable.

図7は、圧電トランスの平面図である。これまで、圧電トランス100の領域L3が厚み方向に分極している例を説明したが、これに限られない。図7は圧電トランス100の領域L3が長さ方向に分極している例である。図7において、領域L3には、外部電極140と外部電極150との間において、厚み方向に延び且つ幅方向に延びる内部電極141,151が複数個形成されている。内部電極141,151は、それぞれが長さ方向に対向するように配置されている。   FIG. 7 is a plan view of the piezoelectric transformer. So far, the example in which the region L3 of the piezoelectric transformer 100 is polarized in the thickness direction has been described, but the present invention is not limited to this. FIG. 7 shows an example in which the region L3 of the piezoelectric transformer 100 is polarized in the length direction. In FIG. 7, a plurality of internal electrodes 141 and 151 extending in the thickness direction and extending in the width direction are formed between the external electrode 140 and the external electrode 150 in the region L3. The internal electrodes 141 and 151 are arranged so as to face each other in the length direction.

外部電極(120,130)と外部電極(140または150)との間に交流電圧が印加されると、逆圧電効果により、長さ方向の縦振動が励振され、圧電体板110の全体が長さ方向に振動(縦振動モードで振動)する。これにより、低電圧部L3では圧電効果により、外部電極140,150間に電圧が発生する。   When an AC voltage is applied between the external electrode (120, 130) and the external electrode (140 or 150), longitudinal vibration in the longitudinal direction is excited by the inverse piezoelectric effect, and the entire piezoelectric plate 110 is long. Vibrates in the vertical direction (vibrates in the longitudinal vibration mode). As a result, a voltage is generated between the external electrodes 140 and 150 in the low voltage portion L3 due to the piezoelectric effect.

本実施形態の構成では、高電圧部が圧電体板の端に配されているため、低電圧部との間隙が一箇所存在するだけであり、高電圧部の容量を低減することができる。したがって、圧電トランス全体を小型でかつ変圧比を大きくすることができるとともに並列で使用することが容易になる。また、圧電トランスの振動最大部で配線しなくてもよいため、圧電トランスの実装時における信頼性を向上させることができる。   In the configuration of the present embodiment, since the high voltage portion is arranged at the end of the piezoelectric plate, there is only one gap with the low voltage portion, and the capacity of the high voltage portion can be reduced. Therefore, the entire piezoelectric transformer can be reduced in size and the transformation ratio can be increased, and can be easily used in parallel. Further, since it is not necessary to perform wiring at the maximum vibration portion of the piezoelectric transformer, reliability at the time of mounting the piezoelectric transformer can be improved.

また、本実施形態の構成では、高周波、高電圧で駆動させることができるため、圧電トランスの使用自由度を向上させることができる。また、低電圧部における配線の引き回しを簡単にすることができるため、圧電トランス全体を小型化することができる。さらに、圧電トランスを実装した際に振動阻害を低減することができるため、高効率伝送が可能となる。   Further, in the configuration of the present embodiment, since it can be driven at a high frequency and a high voltage, the degree of freedom of use of the piezoelectric transformer can be improved. Moreover, since the wiring of the low voltage part can be simplified, the entire piezoelectric transformer can be reduced in size. Furthermore, since vibration inhibition can be reduced when a piezoelectric transformer is mounted, high-efficiency transmission is possible.

《第2の実施形態》
第1の実施形態以降の各実施形態においては、第1実施形態と同様の事項については説明を適宜省略する。
<< Second Embodiment >>
In each of the embodiments after the first embodiment, the description of matters similar to those of the first embodiment will be omitted as appropriate.

図8は、第2の実施形態の圧電トランスの斜視図である。   FIG. 8 is a perspective view of the piezoelectric transformer according to the second embodiment.

圧電トランス100Aは、5次の縦振動モードを利用してなる。圧電トランス100Aは、5λ/2共振モードで振動するものとする。ここで、λは圧電体板110における振動の1波長である。   The piezoelectric transformer 100A uses a fifth-order longitudinal vibration mode. The piezoelectric transformer 100A is assumed to vibrate in the 5λ / 2 resonance mode. Here, λ is one wavelength of vibration in the piezoelectric plate 110.

圧電トランス100Aは、第1実施形態で示した領域L1〜L3に加えて、領域L4および領域L5を有している。領域L4および領域L5は、厚み方向に分極されている低電圧部である。圧電体板110Aの領域L4およびL5の側面には、互いに対向する外部電極140,150が形成されている。   The piezoelectric transformer 100A has a region L4 and a region L5 in addition to the regions L1 to L3 shown in the first embodiment. The region L4 and the region L5 are low voltage portions that are polarized in the thickness direction. External electrodes 140 and 150 facing each other are formed on the side surfaces of the regions L4 and L5 of the piezoelectric plate 110A.

図9は、圧電トランスにおける応力および変位を示す図である。圧電体板110Aに重ねて表した正弦波状の曲線は圧電体板110Aに掛かる応力、図9下部の波形は圧電体板110Aの振動変位をそれぞれ表している。   FIG. 9 is a diagram showing stress and displacement in the piezoelectric transformer. The sinusoidal curve superimposed on the piezoelectric plate 110A represents the stress applied to the piezoelectric plate 110A, and the waveform at the bottom of FIG. 9 represents the vibration displacement of the piezoelectric plate 110A.

圧電トランス100Aの振動は、領域L1〜L5それぞれの長手方向の中央において振動変位がゼロとなるいわゆるノード点となり、領域L1〜L5それぞれの長手方向の両端において最大変位となっている。また、圧電トランス100Aは、領域L1,L3,L4,L5の各ノード点において支持および配線される。領域L3〜L5のそれぞれは、隣接する領域の分極方向とは逆方向に分極されている。   The vibration of the piezoelectric transformer 100A becomes a so-called node point where the vibration displacement becomes zero at the center in the longitudinal direction of each of the regions L1 to L5, and is the maximum displacement at both ends in the longitudinal direction of each of the regions L1 to L5. The piezoelectric transformer 100A is supported and wired at each node point in the regions L1, L3, L4, and L5. Each of the regions L3 to L5 is polarized in a direction opposite to the polarization direction of the adjacent region.

本実施形態の構成では、圧電トランス100Aにおける低電圧部の電極間容量が大きいので、低電圧部の電極間インピーダンスを低くでき、比較的大きな電流容量が得られる。   In the configuration of the present embodiment, since the interelectrode capacitance of the low voltage portion in the piezoelectric transformer 100A is large, the interelectrode impedance of the low voltage portion can be lowered, and a relatively large current capacity can be obtained.

《第3の実施形態》
図10は、第3の実施形態の圧電トランスの斜視図である。
<< Third Embodiment >>
FIG. 10 is a perspective view of the piezoelectric transformer according to the third embodiment.

圧電トランス100Bは、第2実施形態の構成に加えて、接続電極160および接続電極170を備える。接続電極160は、隣接する領域に設けられた外部電極140同士を接続する第1接続電極である。接続電極170は、隣接する領域に設けられた外部電極150同士を接続する第2接続電極である。接続電極160および接続電極170は、領域L3〜L5の分極後に接続されたものである。すなわち、分極処理時には外部電極140,150はそれぞれ独立した状態で、外部電極140−150間に高電圧を印加することで分極化される。その後、接続電極160,170を形成する。   The piezoelectric transformer 100B includes a connection electrode 160 and a connection electrode 170 in addition to the configuration of the second embodiment. The connection electrode 160 is a first connection electrode that connects the external electrodes 140 provided in adjacent regions. The connection electrode 170 is a second connection electrode that connects the external electrodes 150 provided in adjacent regions. Connection electrode 160 and connection electrode 170 are connected after polarization of regions L3 to L5. That is, in the polarization process, the external electrodes 140 and 150 are polarized by applying a high voltage between the external electrodes 140 and 150 in an independent state. Thereafter, connection electrodes 160 and 170 are formed.

図11は、圧電トランスにおける応力および変位を示す図である。   FIG. 11 is a diagram illustrating stress and displacement in the piezoelectric transformer.

圧電トランス100Aの振動は、領域L1〜L5それぞれの長手方向の中央において振動変位がゼロとなるいわゆるノード点となり、領域L1〜L5それぞれの長手方向の両端において最大変位となっている。また、圧電トランス100Aは、領域L1、L3のノード点において支持および配線されている。領域L3〜L5のそれぞれは、隣接する領域の分極方向とは逆方向に分極されている。   The vibration of the piezoelectric transformer 100A becomes a so-called node point where the vibration displacement becomes zero at the center in the longitudinal direction of each of the regions L1 to L5, and is the maximum displacement at both ends in the longitudinal direction of each of the regions L1 to L5. The piezoelectric transformer 100A is supported and wired at the node points of the regions L1 and L3. Each of the regions L3 to L5 is polarized in a direction opposite to the polarization direction of the adjacent region.

本実施形態の構成では、実装支持部の数を減らすことができる。   In the configuration of the present embodiment, the number of mounting support portions can be reduced.

《第4の実施形態》
図12は、第4の実施形態の圧電トランスの斜視図である。この圧電トランス100Cは、5つの領域L1〜L5を備え、5λ/2共振モードで振動する。
<< Fourth Embodiment >>
FIG. 12 is a perspective view of the piezoelectric transformer of the fourth embodiment. The piezoelectric transformer 100C includes five regions L1 to L5 and vibrates in a 5λ / 2 resonance mode.

図13は、圧電トランス100Cにおける応力および変位を示す図である。圧電体板110Cに重ねて表した正弦波状の曲線は圧電体板110Cに掛かる応力、図13下部の波形は圧電体板110Cの振動変位をそれぞれ表している。   FIG. 13 is a diagram illustrating stress and displacement in the piezoelectric transformer 100C. The sinusoidal curve superimposed on the piezoelectric plate 110C represents the stress applied to the piezoelectric plate 110C, and the waveform at the bottom of FIG. 13 represents the vibration displacement of the piezoelectric plate 110C.

圧電トランス100Cの振動は、領域L1〜L5それぞれの長手方向の中央において振動変位がゼロとなるいわゆるノード点となり、領域L1〜L5それぞれの長手方向の両端において最大変位となっている。また、圧電トランス100Cは、領域L1,L4の各ノード点において支持および配線される。領域L2,L3は長さ方向で且つ互いに逆方向に分極されている。領域L4,L5は厚み方向で且つ互いに逆方向に分極されている。   The vibration of the piezoelectric transformer 100C is a so-called node point where the vibration displacement becomes zero at the center in the longitudinal direction of each of the regions L1 to L5, and is the maximum displacement at both ends in the longitudinal direction of each of the regions L1 to L5. The piezoelectric transformer 100C is supported and wired at each node point in the regions L1 and L4. The regions L2 and L3 are polarized in the length direction and in opposite directions. The regions L4 and L5 are polarized in the thickness direction and in opposite directions.

このように、中間部L2,L3は、長さがmλ/2(この例ではm=2)に亘って設けられていてもよい。   Thus, the intermediate portions L2 and L3 may be provided over a length of mλ / 2 (m = 2 in this example).

中間部を複数設けることにより、入力容量を低減することができ、耐電圧性を高めることができる。   By providing a plurality of intermediate portions, the input capacity can be reduced and the withstand voltage can be increased.

《第5の実施形態》
図14、図15は、圧電トランスを回路に組み込んだ状態を示す図である。
<< Fifth Embodiment >>
14 and 15 are views showing a state in which the piezoelectric transformer is incorporated in a circuit.

図14では、圧電トランス100Aを備えた昇圧回路の回路図である。図15では、圧電トランス100Aを備えた降圧回路の回路図である。ここでは、入力電圧に比べて出力電圧のほうが小さい。   FIG. 14 is a circuit diagram of a booster circuit including the piezoelectric transformer 100A. FIG. 15 is a circuit diagram of a step-down circuit including the piezoelectric transformer 100A. Here, the output voltage is smaller than the input voltage.

図14において、低電圧部の外部電極140−150間に、インダクタLを介して入力電圧Vinが印加される。この例では、外部電極150が共通電極であり、この外部電極150と高電圧部の外部電極(120,130)との間に高電圧Voutが発生し、負荷Rへ出力される。インダクタLは低電圧部の外部電極140−150間の容量と所定の共振周波数で共振させるために設けられている。   In FIG. 14, the input voltage Vin is applied via the inductor L between the external electrodes 140-150 in the low voltage part. In this example, the external electrode 150 is a common electrode, and a high voltage Vout is generated between the external electrode 150 and the external electrodes (120, 130) of the high voltage portion, and is output to the load R. The inductor L is provided to resonate with the capacitance between the external electrodes 140-150 of the low voltage portion at a predetermined resonance frequency.

図15において、高電圧部の外部電極(120,130)と共通電極である外部電極140との間に、キャパシタCを介して入力電圧Vinが印加される。これにより、低電圧部の外部電極140−150間に低電圧Voutが発生し、負荷Rへ出力される。インダクタLは低電圧部の外部電極140−150間の容量と所定の共振周波数で共振させるために設けられている。   In FIG. 15, the input voltage Vin is applied via the capacitor C between the external electrode (120, 130) of the high voltage section and the external electrode 140 which is a common electrode. As a result, a low voltage Vout is generated between the external electrodes 140-150 of the low voltage portion and is output to the load R. The inductor L is provided to resonate with the capacitance between the external electrodes 140-150 of the low voltage portion at a predetermined resonance frequency.

《第6の実施形態》
第6の実施形態では、以上に示した圧電トランスをワイヤレス電力伝送システムに適用した例について説明する。ワイヤレス電力伝送システムは送電装置と受電装置とで構成されている。受電装置は二次電池を備えた、例えば携帯電子機器である。携帯電子機器としては携帯電話機、PDA(Personal Digital Assistant)、携帯音楽プレーヤ、ノート型PC、デジタルカメラなどが挙げられる。送電装置は受電装置が載置され、この受電装置の二次電池を充電するための充電台である。送電装置および受電装置は、それぞれアクティブ電極およびパッシブ電極を備えている。アクティブ電極同士、パッシブ電極同士が容量結合することで、送電装置から受電装置に電力が伝送される。
<< Sixth Embodiment >>
In the sixth embodiment, an example in which the piezoelectric transformer described above is applied to a wireless power transmission system will be described. The wireless power transmission system includes a power transmission device and a power reception device. The power receiving device is, for example, a portable electronic device including a secondary battery. Examples of the portable electronic device include a mobile phone, a PDA (Personal Digital Assistant), a portable music player, a notebook PC, and a digital camera. The power transmission device is a charging stand on which the power reception device is mounted and charges a secondary battery of the power reception device. The power transmission device and the power reception device each include an active electrode and a passive electrode. Power is transmitted from the power transmitting apparatus to the power receiving apparatus by capacitively coupling the active electrodes and the passive electrodes.

図16は、ワイヤレス電力伝送システムの回路構成を示す図である。本実施形態では、受電装置300が備える降圧回路に圧電トランスを用いている。   FIG. 16 is a diagram illustrating a circuit configuration of the wireless power transmission system. In this embodiment, a piezoelectric transformer is used for the step-down circuit included in the power receiving device 300.

送電装置200の高周波高電圧発生回路101は例えば100kHz〜数10MHzの高周波電圧を発生する。この高周波高電圧発生回路101の発生する電圧がインダクタLaを介してアクティブ電極103とパッシブ電極104との間に印加される。キャパシタCGは主にアクティブ電極103とパッシブ電極104とによる容量であり、インダクタLaと共に共振回路を構成する。   The high frequency high voltage generation circuit 101 of the power transmission device 200 generates a high frequency voltage of, for example, 100 kHz to several tens of MHz. A voltage generated by the high-frequency high-voltage generation circuit 101 is applied between the active electrode 103 and the passive electrode 104 via the inductor La. The capacitor CG is a capacitance mainly composed of the active electrode 103 and the passive electrode 104, and constitutes a resonance circuit together with the inductor La.

受電装置300のアクティブ電極203とパッシブ電極204との間には、2つの圧電トランス100AおよびインダクタLb1,Lb2による降圧回路が接続されている。キャパシタンス素子CLは主にアクティブ電極203とパッシブ電極204とによる容量である。   A step-down circuit including two piezoelectric transformers 100A and inductors Lb1 and Lb2 is connected between the active electrode 203 and the passive electrode 204 of the power receiving device 300. The capacitance element CL is a capacitance mainly composed of the active electrode 203 and the passive electrode 204.

送電装置200のアクティブ電極103とパッシブ電極104とによる結合電極と受電装置300のアクティブ電極203とパッシブ電極204とによる結合電極との結合は相互容量Cmを介して結合しているものと表すことができる。   The coupling of the coupling electrode by the active electrode 103 and the passive electrode 104 of the power transmission device 200 and the coupling electrode by the active electrode 203 and the passive electrode 204 of the power reception device 300 can be expressed as being coupled via the mutual capacitance Cm. it can.

圧電トランス100Aによる降圧回路は、第5の実施形態で説明したように、外部電極(120,130)と外部電極140との間に印加される電圧を降圧して外部電極140−150間から出力する。この出力電圧がダイオードD1,D2,D3,D4、インダクタLc、キャパシタC1で整流平滑され、直流負荷RL(受電装置300の二次電池)を充電する。   As described in the fifth embodiment, the step-down circuit using the piezoelectric transformer 100A steps down the voltage applied between the external electrodes (120, 130) and the external electrode 140 and outputs the voltage from between the external electrodes 140-150. To do. This output voltage is rectified and smoothed by the diodes D1, D2, D3, D4, the inductor Lc, and the capacitor C1, and charges the DC load RL (secondary battery of the power receiving device 300).

このように、降圧回路に、低損失の圧電トランス100Aを用いることで、低損失で小型の降圧回路を実現でき、その結果、受電装置300の小型化が可能となる。   As described above, by using the low-loss piezoelectric transformer 100A in the step-down circuit, a small-sized step-down circuit with low loss can be realized, and as a result, the power receiving device 300 can be downsized.

図17は、ワイヤレス電力伝送システムの別の回路構成を示す図である。受電装置300は、2つの圧電トランス100Aを対称接続した例である。二つの圧電トランス100Aの外部電極140共通接続されている。また、外部電極140−150間に、ダイオードD1,D2、インダクタLc、キャパシタC1による整流平滑回路が接続されている。   FIG. 17 is a diagram illustrating another circuit configuration of the wireless power transmission system. The power receiving device 300 is an example in which two piezoelectric transformers 100A are symmetrically connected. The external electrodes 140 of the two piezoelectric transformers 100A are commonly connected. A rectifying / smoothing circuit including diodes D1 and D2, an inductor Lc, and a capacitor C1 is connected between the external electrodes 140 and 150.

このようにして平衡出力することで、平衡入力型の整流回路との整合性がよく、安定に動作させることができる。   By performing balanced output in this way, the matching with the balanced input type rectifier circuit is good and stable operation is possible.

ここで、中間部L2を複数設けてもよい。中間部を複数設けることで、電界結合部の結合容量が小さい場合でも、圧電トランスの入力容量を小さくすることができるので、送電側の電圧を過剰に高くすることなく、送電回路での損失を低減することができるので、高効率伝送させることができる。   Here, a plurality of intermediate portions L2 may be provided. By providing a plurality of intermediate sections, the input capacity of the piezoelectric transformer can be reduced even when the coupling capacity of the electric field coupling section is small, so loss in the power transmission circuit can be reduced without excessively increasing the voltage on the power transmission side. Since it can reduce, highly efficient transmission can be carried out.

なお、以上の各実施形態では積層型の圧電トランスについて示したが、圧電体板は単板構造であってもよい。   In each of the above embodiments, the laminated piezoelectric transformer has been described. However, the piezoelectric plate may have a single plate structure.

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許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が含まれることが意図される。   Finally, the description of the above-described embodiment is to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments but by the claims. Furthermore, the scope of the present invention is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims.

100 −圧電トランス
100A−圧電トランス
100B−圧電トランス
110 −圧電体板
110A−圧電体板
120 −外部電極(第1電極)
130 −外部電極(第2電極)
140 −外部電極(第3電極)
150 −外部電極(第4電極)
160 −接続電極(第1接続電極)
170 −接続電極(第2接続電極)
100-Piezoelectric transformer 100A-Piezoelectric transformer 100B-Piezoelectric transformer 110-Piezoelectric plate 110A-Piezoelectric plate 120-External electrode (first electrode)
130-External electrode (second electrode)
140 -External electrode (third electrode)
150-External electrode (fourth electrode)
160—Connection electrode (first connection electrode)
170—Connection electrode (second connection electrode)

Claims (9)

n次(nは3以上の整数)の縦振動モードを利用してなる圧電トランスであって、
共振周波数での1波長をλで表すと、nλ/2の長さ、λ/2未満の幅、およびλ/2未満の厚みを有する圧電体板を備え、
前記圧電体板は、長さ方向における一端部に設けられ、長さがλ/2である非分極の高電圧部と、前記長さ方向に沿って前記高電圧部に隣接し、前記長さ方向に分極され、長さがmλ/2(mは1以上(n−2)以下の整数)である中間部と、前記長さ方向に沿って前記中間部に隣接し、前記長さ方向または厚み方向に分極され、長さが(n−m−1)λ/2である低電圧部と、を含み、
前記高電圧部に設けられ、対向配置された第1電極および第2電極と、前記低電圧部に設けられ、前記低電圧部の分極方向に沿って対向配置された第3電極および第4電極と、を備える、圧電トランス。
A piezoelectric transformer using an nth-order (n is an integer of 3 or more) longitudinal vibration mode,
When one wavelength at the resonance frequency is represented by λ, a piezoelectric plate having a length of nλ / 2, a width of less than λ / 2, and a thickness of less than λ / 2 is provided.
The piezoelectric plate is provided at one end portion in the length direction, is adjacent to the high voltage portion along the length direction, the non-polarized high voltage portion having a length of λ / 2, and the length An intermediate portion polarized in the direction and having a length of mλ / 2 (m is an integer of 1 to (n−2)), and adjacent to the intermediate portion along the length direction, the length direction or A low voltage portion that is polarized in the thickness direction and has a length of (n−m−1) λ / 2,
The first electrode and the second electrode which are provided in the high voltage part and are arranged opposite to each other, and the third electrode and the fourth electrode which are provided in the low voltage part and are arranged to face each other along the polarization direction of the low voltage part. And a piezoelectric transformer.
前記低電圧部は、長さ方向に沿って(n−m−1)等分されて構成された複数の領域を有し、
前記複数の領域のそれぞれは、隣接する領域の分極方向とは逆方向に分極され、
前記第3電極および前記第4電極は、前記複数の領域それぞれに設けられている、
請求項1に記載の圧電トランス。
The low voltage part has a plurality of regions configured to be equally divided (n−m−1) along the length direction,
Each of the plurality of regions is polarized in a direction opposite to the polarization direction of the adjacent region,
The third electrode and the fourth electrode are provided in each of the plurality of regions.
The piezoelectric transformer according to claim 1.
隣接する領域に設けられた前記第3電極同士を接続する第1接続電極と、
隣接する領域に設けられた前記第4電極同士を接続する第2接続電極と、
を備えている、請求項2に記載の圧電トランス。
A first connection electrode for connecting the third electrodes provided in adjacent regions;
A second connection electrode for connecting the fourth electrodes provided in adjacent regions;
The piezoelectric transformer according to claim 2, comprising:
前記低電圧部は前記厚み方向に分極されていて、
前記第3電極および前記第4電極は、幅方向に沿って対向する前記圧電体板の両側面に設けられた第1外部電極および第2外部電極と、前記厚み方向に沿って前記低電圧部の内部に積層され、交互に前記第1外部電極および前記第2外部電極に接続している複数の内部電極と、を有する、請求項1〜3のいずれかに記載の圧電トランス。
The low voltage portion is polarized in the thickness direction,
The third electrode and the fourth electrode include a first external electrode and a second external electrode provided on both side surfaces of the piezoelectric plate facing in the width direction, and the low voltage portion in the thickness direction. The piezoelectric transformer according to claim 1, further comprising: a plurality of internal electrodes that are stacked inside and alternately connected to the first external electrode and the second external electrode.
前記低電圧部は前記長さ方向に分極されていて、
前記第3電極および前記第4電極は、幅方向に沿って対向する前記圧電体板の両側面に設けられた第1外部電極および第2外部電極と、前記長さ方向に沿って前記低電圧部の内部に積層され、交互に前記第1外部電極および前記第2外部電極に接続している複数の内部電極と、を有する、請求項1〜3のいずれかに記載の圧電トランス。
The low voltage portion is polarized in the length direction,
The third electrode and the fourth electrode include a first external electrode and a second external electrode provided on both side surfaces of the piezoelectric plate facing in the width direction, and the low voltage along the length direction. 4. The piezoelectric transformer according to claim 1, further comprising: a plurality of internal electrodes that are stacked inside the unit and are alternately connected to the first external electrode and the second external electrode. 5.
前記圧電体板はセラミックシートが積層されて構成されている、請求項1〜5のいずれかに記載の圧電トランス。   The piezoelectric transformer according to claim 1, wherein the piezoelectric plate is configured by laminating ceramic sheets. 請求項1〜6のいずれかに記載の圧電トランスのプリント基板への実装構造であって、
前記第1電極、前記第2電極、前記第3電極および前記第4電極は、前記圧電トランスの実装面を底面とした場合の側面にそれぞれ形成されていて、
前記高電圧部の長さ方向における中点、および前記低電圧部の長さ方向におけるλ/2毎の中点が支持されてプリント基板に実装されている、圧電トランスの実装構造。
A mounting structure of the piezoelectric transformer according to any one of claims 1 to 6 on a printed circuit board,
The first electrode, the second electrode, the third electrode, and the fourth electrode are respectively formed on side surfaces when the mounting surface of the piezoelectric transformer is a bottom surface,
A mounting structure of a piezoelectric transformer, in which a midpoint in the length direction of the high voltage portion and a midpoint for each λ / 2 in the length direction of the low voltage portion are supported and mounted on a printed board.
請求項3に記載の圧電トランスのプリント基板への実装構造であって、
前記低電圧部の各領域のうち、前記中間部と接している領域の長さ方向における中点、および前記高電圧部の長さ方向における中点が支持されてプリント基板に実装されている、圧電トランスの実装構造。
A mounting structure of the piezoelectric transformer according to claim 3 on a printed circuit board,
Of each region of the low voltage portion, a midpoint in the length direction of the region in contact with the intermediate portion, and a midpoint in the length direction of the high voltage portion are supported and mounted on the printed circuit board. Mounting structure of piezoelectric transformer.
送電側アクティブ電極、送電側パッシブ電極、並びに、前記送電側アクティブ電極及び送電側パッシブ電極間に電圧を印加する電圧発生回路を有する送電装置と、
該送電装置に載置した場合に、前記送電側アクティブ電極に対して対向する受電側アクティブ電極、前記送電側パッシブ電極に対して対向又は接触する受電側パッシブ電極、前記受電側アクティブ電極及び受電側パッシブ電極の間に生じる電圧を降圧する降圧回路、並びに、前記降圧回路の出力電圧を電源電圧として入力する負荷回路を有する受電装置と、を備え、前記送電側アクティブ電極と前記受電側アクティブ電極とが間隙を介して対向し、容量結合することにより前記送電装置側から前記受電装置側へ電力伝送するワイヤレス電力伝送システムにおいて、
前記電圧発生回路または前記降圧回路に、n次(nは3以上の整数)の縦振動モードを利用してなる圧電トランスを備え、
前記圧電トランスは、
共振周波数での1波長をλで表すと、nλ/2の長さ、λ/2未満の幅、およびλ/2未満の厚みを有する圧電体板を備え、
前記圧電体板は、長さ方向における一端部に設けられ、長さがλ/2である非分極の高電圧部と、前記長さ方向に沿って前記高電圧部に隣接し、前記長さ方向に分極され、長さがmλ/2(mは1以上(n−2)以下の整数)である中間部と、前記長さ方向に沿って前記中間部に隣接し、前記長さ方向または厚み方向に分極され、長さが(n−m−1)λ/2である低電圧部と、を含み、
前記高電圧部に設けられ、対向配置された第1電極および第2電極と、前記低電圧部に設けられ、前記低電圧部の分極方向に沿って対向配置された第3電極および第4電極と、を備える、ワイヤレス電力伝送システム。
A power transmission device having a power generation side active electrode, a power transmission side passive electrode, and a voltage generation circuit for applying a voltage between the power transmission side active electrode and the power transmission side passive electrode;
A power receiving side active electrode facing the power transmitting side active electrode, a power receiving side passive electrode facing or contacting the power transmitting side passive electrode, the power receiving side active electrode, and the power receiving side when mounted on the power transmitting device A step-down circuit for stepping down a voltage generated between the passive electrodes, and a power receiving device having a load circuit for inputting the output voltage of the step-down circuit as a power supply voltage, the power transmission side active electrode and the power receiving side active electrode, In a wireless power transmission system in which power is transmitted from the power transmission device side to the power reception device side by facing through a gap and capacitively coupling,
The voltage generation circuit or the step-down circuit includes a piezoelectric transformer using an n-order (n is an integer of 3 or more) longitudinal vibration mode,
The piezoelectric transformer is
When one wavelength at the resonance frequency is represented by λ, a piezoelectric plate having a length of nλ / 2, a width of less than λ / 2, and a thickness of less than λ / 2 is provided.
The piezoelectric plate is provided at one end portion in the length direction, is adjacent to the high voltage portion along the length direction, the non-polarized high voltage portion having a length of λ / 2, and the length An intermediate portion polarized in the direction and having a length of mλ / 2 (m is an integer of 1 to (n−2)), and adjacent to the intermediate portion along the length direction, the length direction or A low voltage portion that is polarized in the thickness direction and has a length of (n−m−1) λ / 2,
The first electrode and the second electrode which are provided in the high voltage part and are arranged opposite to each other, and the third electrode and the fourth electrode which are provided in the low voltage part and are arranged to face each other along the polarization direction of the low voltage part. A wireless power transmission system.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106849378A (en) * 2017-02-27 2017-06-13 天津大学 A kind of wireless energy supply device and method based on Lamb wave

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