JP2015092545A - Piezoelectric transformer, and wireless power transmission system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、駆動周波数を高周波数化した場合に用いることができる圧電トランス、及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 and a wireless power transmission system that can be used when the drive frequency is increased.
近年、携帯電話機、又はモバイル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電力伝送が提案されている。ワイヤレス電力伝送として、電界結合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方式が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, when charging an electronic device such as a mobile phone or a mobile PC, wireless power transmission can be performed simply by installing the electronic device in the charging device in order to eliminate the trouble of connecting a charging cable to the electronic device. Has been proposed. As wireless power transmission, a method of transmitting electric power from a power transmission device (charging device) side to a power reception device (electronic device) side using electric field coupling is known (for example, see Patent Document 1).
特許文献1に記載の電力伝送システムでは、送電装置、及び受電装置それぞれに高電位側となるアクティブ電極と、低電位側となるパッシブ電極を備え、それら電極を、アクティブ電極同士、及びパッシブ電極同士それぞれを、間隙を介して対向させることで、電極間に強い電界を形成し、電極同士を電界結合する。この電界結合により装置間でのワイヤレスな電力伝送を可能としている。 In the power transmission system described in Patent Literature 1, each of the power transmission device and the power receiving device includes an active electrode on the high potential side and a passive electrode on the low potential side, and the electrodes are connected between the active electrodes and between the passive electrodes. By facing each other through a gap, a strong electric field is formed between the electrodes, and the electrodes are electric field coupled. This electric field coupling enables wireless power transmission between devices.
この電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムでは、電極間の電界(電圧)によって送電装置から受電装置へ電力が伝送される。このため、アクティブ電極とパッシブ電極との電位差は大きい。装置のグランド電位を定めるためには、装置のグランドとアクティブ電極(高電圧部)との間に形成される容量と、装置のグランドとパッシブ電極(低電圧部)との間に形成される容量との容量比を、適切な値に設定する必要がある。容量比が変動すると、装置のグランド電位が変動して、受電装置において誤作動が生じる場合がある。 In this electric field coupling type wireless power transmission system, power is transmitted from the power transmitting apparatus to the power receiving apparatus by the electric field (voltage) between the electrodes. For this reason, the potential difference between the active electrode and the passive electrode is large. In order to determine the ground potential of the device, a capacitance formed between the ground of the device and the active electrode (high voltage portion) and a capacitance formed between the ground of the device and the passive electrode (low voltage portion). It is necessary to set the capacity ratio to an appropriate value. When the capacitance ratio fluctuates, the ground potential of the device fluctuates, and a malfunction may occur in the power receiving device.
また、近年、受電装置に相当する携帯電話機等の小型化、及び薄型化が進んでいる。このような受電装置であっても、高電圧を取り扱うため、変圧部を備える必要がある。変圧部として巻線を用いた高圧トランスを利用することも可能であるが、小型化等の要求に従い、変圧部に圧電デバイスを用いることが有効である。しかしながら、圧電デバイスを用いた場合であっても、前記のように、装置のグランドとアクティブ電極及びパッシブ電極それぞれとの容量の比を適切な値に保つ必要がある。容量比を保つために容量(コンデンサ)を別途追加すると、追加した容量のために、電界結合部の結合度が低下してしまい、無効電力を増大させる結果、効率を低下させるという課題がある。また、部品数が増え、結果、小型化を阻害するといった問題もある。 In recent years, mobile phones and the like corresponding to power receiving devices have been reduced in size and thickness. Even in such a power receiving device, it is necessary to provide a transformer in order to handle a high voltage. Although it is possible to use a high-voltage transformer using a winding as the transformer, it is effective to use a piezoelectric device for the transformer in accordance with demands for downsizing and the like. However, even when a piezoelectric device is used, as described above, it is necessary to maintain the capacitance ratio between the ground of the apparatus and the active electrode and the passive electrode at an appropriate value. If a capacitance (capacitor) is added separately in order to maintain the capacitance ratio, the added capacitance decreases the coupling degree of the electric field coupling unit, and as a result, the reactive power is increased, resulting in a reduction in efficiency. In addition, there is a problem that the number of parts increases, and as a result, downsizing is hindered.
そこで、本発明の目的は、高圧部と低圧部とに生じる容量比を設定できる圧電トランス、及びそれ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。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a piezoelectric transformer capable of setting a capacity ratio generated between a high voltage part and a low voltage part, and a wireless power transmission system including the piezoelectric transformer.
本発明に係る圧電トランスは、次数n(nは1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、共振周波数での波長をλで表すと、nλ/2の長さ、λ/2未満の幅、及び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、長さ方向に沿って、第1高電圧部、低電圧部、及び第2高電圧部を順に有し、前記低電圧部は、分極方向が厚み方向であり、厚み方向に対向する第1低電圧用電極、及び第2低電圧用電極を有し、前記第1高電圧部は、分極方向が長さ方向であり、前記圧電体板の一端部に設けられた第1高電圧用電極を有し、前記第2高電圧部は、分極方向が長さ方向であり、前記圧電体板の他端部に設けられた第2高電圧用電極を有し、前記第1高電圧部と前記第2高電圧部との長さが異なることを特徴とする。 The piezoelectric transformer according to the present invention is a piezoelectric transformer using a longitudinal vibration mode of order n (n is an integer of 1 or more), and the wavelength at the resonance frequency is represented by λ, and the length is nλ / 2. , A width of less than λ / 2, and a thickness of less than λ / 2, and the piezoelectric plate has a first high voltage portion, a low voltage portion, and a second height along the length direction. The low voltage part has a first low voltage electrode and a second low voltage electrode opposite to each other in the thickness direction, and the low voltage part includes the first high voltage part. Includes a first high-voltage electrode provided at one end of the piezoelectric plate, the polarization direction of the second high-voltage portion is a length direction, A second high-voltage electrode provided on the other end of the piezoelectric plate, wherein the first high-voltage part and the second high-voltage part have different lengths; To.
この構成では、第2高電圧部の長さを設定することで、第1高電圧用電極及び第1低電圧用電極(又は第2低電圧用電極)の間に生じる容量と、第2高電圧用電極及び第1低電圧用電極(又は第2低電圧用電極)の間に生じる容量との容量比を調節できる。すなわち、高圧部と低圧部とに生じる容量比を定めることができる。 In this configuration, by setting the length of the second high voltage portion, the capacitance generated between the first high voltage electrode and the first low voltage electrode (or the second low voltage electrode), and the second high voltage portion are set. The capacitance ratio with the capacitance generated between the voltage electrode and the first low voltage electrode (or the second low voltage electrode) can be adjusted. That is, the capacity ratio generated in the high pressure part and the low pressure part can be determined.
また、例えば、第1高電圧用電極、及び第2高電圧用電極に電圧を印加した場合、圧電体板の長さ方向の高次の縦振動モードを励振し、圧電効果と逆圧電効果の作用により、降圧された電圧が低電圧部の第1低電圧用電極、及び第2低電圧用電極から取り出すことができる。そして、第1高電圧用電極、及び第2高電圧用電極と、第1低電圧用電極、及び第2低電圧用電極とは、絶縁しているため、この圧電トランスは高電圧を扱うことができる。また、この圧電トランスを回路に実装することで、回路の小型化、及び低背化が図れる。 Further, for example, when a voltage is applied to the first high voltage electrode and the second high voltage electrode, a high-order longitudinal vibration mode in the longitudinal direction of the piezoelectric plate is excited, and the piezoelectric effect and the inverse piezoelectric effect are obtained. By the action, the stepped down voltage can be taken out from the first low voltage electrode and the second low voltage electrode in the low voltage portion. Since the first high voltage electrode and the second high voltage electrode are insulated from the first low voltage electrode and the second low voltage electrode, the piezoelectric transformer handles a high voltage. Can do. Further, by mounting this piezoelectric transformer on a circuit, the circuit can be reduced in size and height.
前記次数nは4以上であり、前記低電圧部は、長さ方向に複数の領域に分割され、隣接する領域との境界で、応力発生時における応力分布の向きが反転し、前記複数の領域は、それぞれの分極方向が隣接する領域とは反対方向であり、前記第1低電圧用電極、及び前記第2低電圧用電極は、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。 The order n is 4 or more, the low voltage part is divided into a plurality of regions in the length direction, and the direction of the stress distribution at the time of stress generation is reversed at the boundary with the adjacent region, and the plurality of regions Is preferably opposite to the adjacent regions, and the first low voltage electrode and the second low voltage electrode are provided in each of the plurality of regions.
この構成では、第2高電圧部の長さを設定することで、低電圧部に異なる方向の応力分布が存在する場合があっても、高圧部と低圧部とに生じる容量比を定めることができる。 In this configuration, by setting the length of the second high-voltage part, it is possible to determine the capacity ratio generated in the high-voltage part and the low-voltage part even when there is a stress distribution in a different direction in the low-voltage part. it can.
前記次数nは4以上であり、前記第1高電圧部及び前記第2高電圧部の少なくとも一方は、長さ方向に複数の領域に分割され、隣接する領域との境界における厚み方向に設けられた境界電極を有し、前記複数の領域は、それぞれの分極方向が隣接する領域とは反対方向であることが好ましい。 The order n is 4 or more, and at least one of the first high voltage portion and the second high voltage portion is divided into a plurality of regions in the length direction and provided in the thickness direction at the boundary with the adjacent region. Preferably, each of the plurality of regions has a polarization direction opposite to the adjacent region.
この構成では、例えば、4次、7次などの高次モードであっても適用できる。 In this configuration, for example, the present invention can be applied even in a higher order mode such as a fourth order or a seventh order.
前記圧電体板は、複数の圧電セラミックシートが積層された積層体であることが好ましい。 The piezoelectric plate is preferably a laminated body in which a plurality of piezoelectric ceramic sheets are laminated.
この構成では、圧電トランスの製造が容易である。 With this configuration, it is easy to manufacture the piezoelectric transformer.
本発明によれば、第2高電圧部の長さを設定することで、第1高電圧用電極及び第1低電圧用電極(又は第2低電圧用電極)の間に生じる容量と、第2高電圧用電極及び第1低電圧用電極(又は第2低電圧用電極)の間に生じる容量との容量比を調節できる。すなわち、高圧部と低圧部とに生じる容量比を定めることができる。 According to the present invention, by setting the length of the second high voltage portion, the capacitance generated between the first high voltage electrode and the first low voltage electrode (or the second low voltage electrode), (2) The capacitance ratio with the capacitance generated between the high voltage electrode and the first low voltage electrode (or the second low voltage electrode) can be adjusted. That is, the capacity ratio generated in the high pressure part and the low pressure part can be determined.
(実施形態1)
以下、本発明に係る圧電トランスは、電界結合を利用して、送電装置から受電装置へワイヤレスで電力伝送するワイヤレス電力伝送システムに用いられるものとして説明する。先ず、ワイヤレス電力伝送システムについて説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the piezoelectric transformer according to the present invention will be described as being used in a wireless power transmission system that wirelessly transmits power from a power transmission device to a power reception device using electric field coupling. First, a wireless power transmission system will be described.
図1は、本発明に係るワイヤレス電力伝送システム100の回路図である。ワイヤレス電力伝送システム100は、送電装置101、及び受電装置201を備えている。
FIG. 1 is a circuit diagram of a wireless
送電装置101は、入力電源回路11を備えている。入力電源回路11は、商用電源に接続されたACアダプタにより交流電圧(AC100V〜230V)から変換された直流電圧(例えばDC19V)を、DC−ACインバータ回路で交流電圧に変換し、昇圧トランスで昇圧する。昇圧トランスのインダクタンス成分と容量結合部の容量を共振させることで、正弦波状の交流電圧を生成することが望ましい。
The
入力電源回路11にはアクティブ電極12及びパッシブ電極13が接続されている。アクティブ電極12及びパッシブ電極13はいずれも平板状であり、アクティブ電極12はパッシブ電極13よりも面積が小さい。そして、アクティブ電極12は高電位側であり、パッシブ電極13は低電位側である。これらアクティブ電極12及びパッシブ電極13には、入力電源回路11から出力される交流電圧が印加される。
An
入力電源回路11、より詳しくは、入力電源回路11が備える昇圧トランスの2次コイルにはキャパシタC1a,C1pの直列回路を含む容量成分が並列に接続されている。キャパシタC1a,C1pを含む容量成分は、昇圧トランスのインダクタンスと並列共振回路を形成している。また、キャパシタC1a,C1pを含む容量成分は、昇圧トランスの2次コイルの漏れインダクタンス又は実部品のインダクタと共に直列共振回路を形成している。 A capacitance component including a series circuit of capacitors C1a and C1p is connected in parallel to the input power supply circuit 11, more specifically, to the secondary coil of the step-up transformer provided in the input power supply circuit 11. The capacitive component including the capacitors C1a and C1p forms a parallel resonance circuit with the inductance of the step-up transformer. The capacitance component including the capacitors C1a and C1p forms a series resonance circuit together with the leakage inductance of the secondary coil of the step-up transformer or the inductor of the actual part.
また、アクティブ電極12及びパッシブ電極13には、キャパシタC3が接続されている。キャパシタC3は、アクティブ電極12及びパッシブ電極13の間に生じる浮遊容量、又は、入力電源回路11が有する昇圧トランスのコイル間に生じる浮遊容量である。C3はC1a,C1pとともに、送電側の漏れインダクタンス成分と共振する容量の一部であり、送電側共振回路の共振周波数を設定する要素である。
A capacitor C3 is connected to the
受電装置201は、アクティブ電極22及びパッシブ電極23を備えている。アクティブ電極22及びパッシブ電極23それぞれは、アクティブ電極12及びパッシブ電極13それぞれと略同面積を有し、受電装置201を送電装置101に載置した場合に、送電装置101のアクティブ電極12及びパッシブ電極13と間隙を介して対向する。アクティブ電極12及びパッシブ電極13に交流電圧が印加されることで、対向配置となったアクティブ電極12,22、及びパッシブ電極13,22に電界が生じ、この電界を介して送電装置101から受電装置201へ電力が伝送される。
The
アクティブ電極22及びパッシブ電極23には、キャパシタC4が接続されている。キャパシタC4は、アクティブ電極22及びパッシブ電極23の間に生じる浮遊容量等である。このキャパシタC4は、送電装置101及び受電装置201間の結合度を高め、無効電力を低減するために、極力小さい値にすることが望ましい。
A capacitor C4 is connected to the
また、受電装置201のアクティブ電極22及びパッシブ電極23には、本実施形態1に係る圧電トランス21が接続されている。圧電トランス21は、第1入力電極E31及び第2入力電極E32、並びに、第1出力電極E33及び第2出力電極E34を有している。入力電極E31にはアクティブ電極22が接続され、第2入力電極E32にはパッシブ電極23が接続されている。そして、圧電トランス21は、第1入力電極E31及び第2入力電極E32に印加される電圧を降圧して第1出力電極E33及び第2出力電極E34から出力する。
In addition, the
第1出力電極E33、第2出力電極E34は、受電装置201の2次側回路(基準電位含む)に接続されている。そして、第1出力電極E33及び第2出力電極E34には、共振用のインダクタL1、整流用のダイオードブリッジDB、平滑用のインダクタL2及びキャパシタC5が接続されている。整流平滑された電圧は、二次電池及び充電回路を含む負荷回路RLに供給される。
The first output electrode E33 and the second output electrode E34 are connected to the secondary circuit (including the reference potential) of the
圧電トランス21の具体的構成については後述するが、圧電トランス21の第1入力電極E31及び第2入力電極E32、並びに、第1出力電極E33及び第2出力電極E34はそれぞれ絶縁性を保っている。このため、受電装置201の降圧部において、入出力間で電気的に絶縁することで、負荷回路RL側への高圧部(アクティブ電極12,22の結合)によるノイズの影響を抑制できる。
Although the specific configuration of the
また、図1の破線で示すキャパシタC2aは、圧電トランス21の第1入力電極E31と第1出力電極E33,E34との間に生じるキャパシタンス成分であり、キャパシタC2pは、第2入力電極E32と第1出力電極E33,E34との間に生じるキャパシタンス成分である。第1出力電極E33は、受電装置201の基準電位に接続されている。換言すれば、キャパシタC2aは、アクティブ電極22と基準電位との間に生じる容量、キャパシタC2pは、パッシブ電極23と基準電位との間に生じる容量である。
1 is a capacitance component generated between the first input electrode E31 and the first output electrodes E33 and E34 of the
ここで、送電装置101側において、キャパシタC1a,C1pの接続点を送電装置101の基準電位(0V)に維持するために、キャパシタC1a,C1pの容量比は、(ホイーストンブリッジの平衡条件により)アクティブ電極12,22により形成される容量と、パッシブ電極13,23により形成される容量との容量比と同じに設定されている。
Here, on the
同様に、受電装置201側においても、キャパシタC2a,C2pの接続点、すなわち、第1出力電極E33の電位(基準電位)を一定値(0V)に維持するために、キャパシタC2a,C2pの容量比は、アクティブ電極12,22により形成される容量と、パッシブ電極13,23により形成される容量との容量比と同じにすることが望まれる。この場合、受電装置201の基準電位を安定化させることができ、その結果、基準電位が変動することによる不具合を抑制できる。このため、本実施形態に係る圧電トランス21は、第1入力電極E31と第1出力電極E33との間の容量、及び、第2入力電極E32と第1出力電極E33との間の容量の容量比を設定可能な構造としてある。
Similarly, also on the
なお、外付けでキャパシタを接続することにより、圧電トランスの個体差によるばらつきを吸収したり、若干容量比の異なる構成とすることも可能である。この場合、外付けキャパシタの容量値を最小化することが可能で、電界結合部の結合度の低下を最小限に抑えることができる。 In addition, by connecting capacitors externally, it is possible to absorb variations due to individual differences of piezoelectric transformers or to have a slightly different capacitance ratio. In this case, the capacitance value of the external capacitor can be minimized, and a decrease in the coupling degree of the electric field coupling portion can be minimized.
以下に、本実施形態に係る圧電トランス21の具体的構成について説明する。
Below, the specific structure of the
図2は実施形態1に係る圧電トランスの斜視図である。図3は図2のIII−III線の断面図である。図4は図2のIV−IV線の断面図である。なお、図2は透視図としているが、図3及び図4で示す内部電極を省略している。 FIG. 2 is a perspective view of the piezoelectric transformer according to the first embodiment. 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. 2 is a perspective view, the internal electrodes shown in FIGS. 3 and 4 are omitted.
本実施形態に係る圧電トランス1は、長さL、厚みT、幅Wを有する矩形板状の圧電体板30を備えている。この圧電体板30は、例えばPZT系セラミックスシートが積層されて形成されている。以下では、長さ方向をX軸方向、幅方向をY軸方向、厚み方向をZ軸方向とする。
The piezoelectric transformer 1 according to this embodiment includes a rectangular plate-shaped
本実施形態に係る圧電トランス21は、(λ/2)共振モードで長さ方向に振動するものとする。ここで、λは長さ方向の振動の1波長である。従って、長さLは(λ/2)としている。ここで、厚みT及び幅Wは(λ/2)未満とすることが好ましい。厚みT及び幅W方向の振動が長さ方向の振動に結合せず、圧電トランス21全体の振動が不安定とならないためである。
The
圧電体板30は、X軸方向に沿って、第1高電圧領域31、第2高電圧領域32、及び低電圧領域33が形成されている。より詳しくは、第1高電圧領域31、及び第2高電圧領域32は、低電圧領域33を挟んで、圧電体板30の両端部側に設けられている。また、第1高電圧領域31の長さは、第2高電圧領域32より長い。
The
第1高電圧領域31には第1入力電極E31が設けられ、第2高電圧領域32には第2入力電極E32が設けられている。第1入力電極E31及び第2入力電極E32は、圧電体板30のX軸方向に対向する両端部側面に設けられていて、互いに対向している。第1入力電極E31は、図1に示すアクティブ電極22に接続され、第2入力電極E32はパッシブ電極23に接続される。第1入力電極E31は、本発明に係る第1高電圧用電極に相当し、第2入力電極E32は、本発明に係る第2高電圧用電極に相当する。
The first
低電圧領域33であって、Y軸方向に対向する側面には、第1出力電極E33及び第2出力電極E34が設けられている。また、低電圧領域33には、Z軸方向に沿って交互に設けられた複数の内部電極E331,E341が設けられている。内部電極E331は第1出力電極E33に接続し、内部電極E341は第2出力電極E34に接続している。すなわち、第1出力電極E33及び内部電極E331で同電位の電極を形成し、この電極が本発明に係る第1低電圧用電極に相当する。また、第2出力電極E34及び内部電極E341で同電位の電極を形成し、この電極が本発明に係る第2低電圧用電極に相当する。第1出力電極E33及び第2出力電極E34は、ダイオードブリッジDBを含む整流平滑回路に接続される。また、第1出力電極E33は、受電装置201の基準電位に接続される。
A first output electrode E33 and a second output electrode E34 are provided on the side surface of the
図5は、第1高電圧領域31、第2高電圧領域32及び低電圧領域33の分極方向を説明するための図である。図5に示す矢印は、各領域31〜33における分極方向であり、破線は、圧電体板30の応力分布を示す。また、図5の下部に示す波形は、振動する圧電体板30の変位分布を示す。
FIG. 5 is a diagram for explaining the polarization directions of the first
第1高電圧領域31は、長さL/2を有している。また、第2高電圧領域32は、長さX(<L/2)を有している。これら第1高電圧領域31及び第2高電圧領域32はそれぞれ、X軸方向に分極されている。また、低電圧領域33は、Z軸方向に分極されている。分極処理の方法としては、例えば、圧電体板30を170℃の絶縁油中で2kV/mmの電圧を印加する方法等が挙げられる。
The first
なお、圧電トランス21を実装する場合、振動変位が最も小さい位置P(図中の破線矢印)で圧電トランス21を支持及び配線することで、圧電トランス21の振動を阻害することなく、また、実装後に圧電体板30の変位により接続信頼性が低下することを防止できる。本実施例では、第1高電圧領域31の長さをL/2としているが、上述した通り、振動変位が最も小さい位置Pを跨ぐ形で低電圧領域33が形成されていればよく、第1高電圧領域31の長さは必ずしもL/2である必要はない。
When the
この圧電トランス1において、第1入力電極E31及び第2入力電極E32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30の全体が振動する。これにより、低電圧領域33では圧電効果により、内部電極E331,E341間に電圧が発生する。そして、第1出力電極E33及び第2出力電極E34から変圧(降圧)された電圧を取り出すことができる。
In the piezoelectric transformer 1, when an AC voltage is applied to the first input electrode E31 and the second input electrode E32, longitudinal vibration in the length direction is excited by the inverse piezoelectric effect, and the entire
このように構成される圧電トランス21において、第2高電圧領域32の長さXを定めることで、図1で説明した、第2入力電極E32と第2出力電極E33との間のキャパシタC2pそれぞれを設定することができる。その結果、キャパシタC2a,C2pの容量比を設定でき、アクティブ電極12,22により形成される容量と、パッシブ電極13,23により形成される容量との容量比と同じにできる。これにより、受電装置201の基準電位を安定化させることができる。
In the
また、第1入力電極E31及び第2入力電極E32と第1出力電極E33及び第2出力電極E34とは絶縁しているため、圧電トランス21により絶縁性のある変圧部を実現でき、高電圧を扱うことができる。さらに、変圧部に圧電トランス21を用いることで、受電装置201の小型化、及び低背化が可能となる。
In addition, since the first input electrode E31 and the second input electrode E32 are insulated from the first output electrode E33 and the second output electrode E34, an insulating transformer can be realized by the
図6は、実施形態1の別の例を示す圧電トランス21の斜視図である。図7は、図6のVII−VII線における断面図である。
FIG. 6 is a perspective view of a
この例では、第1高電圧領域31及び第2高電圧領域32に設けられる入力電極の構成が、図2〜図4に示す構成と相違する。第1高電圧領域31であって、Y軸方向に対向する側面それぞれには、対向する第1入力電極E31A,E31Bが設けられている。また、第1高電圧領域31内部には、Z軸方向に沿って設けられた複数の内部電極E311が設けられている。積層された内部電極E311は、交互に第1入力電極E31A,E31Bに接続している。
In this example, the configuration of the input electrodes provided in the first
同様に、第2高電圧領域32であって、Y軸方向に対向する側面それぞれには、対向する第2入力電極E32A,E32Bが設けられている。また、第2高電圧領域32内部には、Z軸方向に沿って設けられた複数の内部電極E321が設けられている。積層された内部電極E321は、交互に第2入力電極E32A,E32Bに接続している。
Similarly, opposing second input electrodes E32A and E32B are provided on the side surfaces of the second
すなわち、第1入力電極E31A,E31B及び内部電極E311で一つの電極を形成し、第2入力電極E32A,E32B及び内部電極E321で一つの電極を形成している。 That is, the first input electrodes E31A, E31B and the internal electrode E311 form one electrode, and the second input electrodes E32A, E32B and the internal electrode E321 form one electrode.
この例の圧電トランス21は、入力電極、及び出力電極の何れも、圧電体板30の同一平面(この例では両側面)で実装が可能となるため、圧電トランス21の実装が容易となる。
The
(実施形態2)
以下に、本発明の実施形態2に係る圧電トランスについて説明する。本実施形態に係る圧電トランスは、λ共振モードで振動する。
(Embodiment 2)
The piezoelectric transformer according to
図8は、実施形態2に係る圧電トランスの断面図である。図8に示す矢印は、各領域31〜33における分極方向であり、破線は、圧電体板30の応力分布を示す。また、図8の下部に示す波形は、振動する圧電体板30の変位分布を示す。なお、図8において、低電圧領域33に設けられる内部電極E331,E341(図3参照)は、実施形態1と同様であり、その図示は省略する。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the piezoelectric transformer according to the second embodiment. The arrows shown in FIG. 8 are the polarization directions in the
この例では、実施形態1と同様に、第1高電圧領域31は、長さL/2を有している。また、第2高電圧領域32は、長さX(<L/2)を有している。そして、第2高電圧領域32の分極方向は、第1高電圧領域31の分極方向と反対である。本実施形態のλモードの場合、実施形態1とは異なり、圧電体板30の中央(第1高電圧領域31と低電圧領域33との境界)を基準に、応力の向きが逆方向となるので、第1高電圧領域31と第2高電圧領域32との分極方向は、互いに逆方向にする必要がある。
In this example, like the first embodiment, the first
この例でも、実施形態1と同様に、第2高電圧領域32のX軸方向の長さを設定することで、図1に示すキャパシタC2a,C2pの容量比を設定することができる。また、圧電トランス21を実装する場合、変位分布が最も小さい位置P(図中の破線矢印)で圧電トランス21を支持及び配線することが好ましい。
In this example as well, the capacitance ratio of the capacitors C2a and C2p shown in FIG. 1 can be set by setting the length of the second
また、第1入力電極E31及び第2入力電極E32と第1出力電極E33及び第2出力電極E34とは絶縁しているため、圧電トランス21により絶縁性のある変圧部を実現でき、高電圧を扱うことができる。さらに、変圧部に圧電トランス21を用いることで、受電装置201の小型化、及び低背化が可能となる。
In addition, since the first input electrode E31 and the second input electrode E32 are insulated from the first output electrode E33 and the second output electrode E34, an insulating transformer can be realized by the
(実施形態3)
以下に、本発明の実施形態3に係る圧電トランスについて説明する。本実施形態に係る圧電トランスは、(4λ/2)共振モードで振動する。
(Embodiment 3)
The piezoelectric transformer according to Embodiment 3 of the present invention will be described below. The piezoelectric transformer according to this embodiment vibrates in the (4λ / 2) resonance mode.
図9は、実施形態3に係る圧電トランスの断面図である。図9に示す矢印は、各領域31〜33における分極方向であり、破線は、圧電体板30の応力分布を示す。また、図9の下部に示す波形は、振動する圧電体板30の変位分布を示す。なお、図9において、低電圧領域33に設けられる内部電極E331,E341(図3参照)は、実施形態1と同様であり、その図示は省略する。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the piezoelectric transformer according to the third embodiment. The arrows shown in FIG. 9 are the polarization directions in the
この例では、第1高電圧領域31は、長さL/2を有している。第1高電圧領域31は、均等分割された第1領域311と第2領域312とを有している。第1領域311と第2領域312とは、その境界を基準に応力の向きが逆方向となるので、第1領域311と第2領域312との分極方向は、互いに逆方向にしてある。この場合、第1領域311と第2領域312との間には、積層構造の分極用内部電極E35が設けられている。
In this example, the first
第2高電圧領域32は、長さL/4を有している。すなわち、第1高電圧領域31のX軸方向の長さは、第2高電圧領域32の約2倍であり、キャパシタC2pの容量はキャパシタC2aの容量の2倍である。この第2高電圧領域32は、第1高電圧領域31の第2領域312と応力の向きが同方向であり、分極方向が同じである。
Second
この例でも、実施形態1と同様に、第2高電圧領域32のX軸方向の長さを設定することで、図1に示すキャパシタC2a,C2pの容量比を設定することができる。なおこの場合、キャパシタC2a,C2pの容量比は1:2である。また、圧電トランス21を実装する場合、変位分布が最も小さい位置P(図中の破線矢印)で圧電トランス21を支持及び配線することが好ましい。さらに、(4λ/2)共振モードで振動する本実施形態に係る圧電トランス21は、高周波駆動が可能であり、高電力化を図ることができる。
In this example as well, the capacitance ratio of the capacitors C2a and C2p shown in FIG. 1 can be set by setting the length of the second
また、第1入力電極E31及び第2入力電極E32と第1出力電極E33及び第2出力電極E34とは絶縁しているため、圧電トランス21により絶縁性のある変圧部を実現でき、高電圧を扱うことができる。さらに、変圧部に圧電トランス21を用いることで、受電装置201の小型化、及び低背化が可能となる。
In addition, since the first input electrode E31 and the second input electrode E32 are insulated from the first output electrode E33 and the second output electrode E34, an insulating transformer can be realized by the
(実施形態4)
以下に、本発明の実施形態4に係る圧電トランスについて説明する。本実施形態に係る圧電トランスは、実施形態3と同様に、(4λ/2)共振モードで振動するが、第2高電圧領域の長さが実施形態3より短い点で相違する。
(Embodiment 4)
The piezoelectric transformer according to
図10は、実施形態4に係る圧電トランスの斜視図である。図11は図10のXI−XI線の断面図である。図11に示す矢印は、各領域31〜33における分極方向であり、破線は、圧電体板30の応力分布を示す。また、図11の下部に示す波形は、振動する圧電体板30の変位分布を示す。なお、図11において、低電圧領域33に設けられる内部電極E331,E341(図3参照)は、実施形態1と同様であり、その図示は省略する。
FIG. 10 is a perspective view of the piezoelectric transformer according to the fourth embodiment. 11 is a cross-sectional view taken along line XI-XI in FIG. The arrows shown in FIG. 11 are the polarization directions in the
この例では、第1高電圧領域31は、実施形態3と同様に、長さL/2を有している。また、第1高電圧領域31は、分極方向が反対方向である第1領域311と第2領域312とを有している。そして、第1領域311と第2領域312との間には、積層構造の分極用内部電極E35が設けられている。
In this example, the first
第2高電圧領域32は、長さX(<L/4)を有している。第2高電圧領域32のX軸方向の長さを短くしているため、低電圧領域33の長さはL/4(=λ/2)より長くなる。その結果、低電圧領域33では、応力分布が反対方向となる二つの領域が存在する。このため、低電圧領域33は、応力分布が反対方向となる位置を境に分割された第1領域331と第2領域332とを有する。第1領域331と第2領域332とは、分極方向が反対方向としてある。また、低電圧領域33に設けられる出力電極は、第1領域331と第2領域332とに分離されている。詳しくは、第1領域331に、Y軸方向に対向する第1出力電極E33A及び第2出力電極E34Aが設けられ、第2領域332に、Y軸方向に対向する第2出力電極E33B及び第2出力電極E34Bが設けられている。
The second
なお、図11では図示していないが、低電圧領域33には、図3で説明した複数の内部電極が積層して設けられている。そして、本実施形態の場合、複数の内部電極は、第1領域331と第2領域332とそれぞれに分離して設けられている。
Although not shown in FIG. 11, the plurality of internal electrodes described in FIG. In the present embodiment, the plurality of internal electrodes are provided separately in the
この例でも、実施形態1と同様に、第2高電圧領域32のX軸方向の長さを設定することで、図1に示すキャパシタC2a,C2pの容量比を設定することができる。また、圧電トランス21を実装する場合、変位分布が最も小さい位置P(図中の破線矢印)で圧電トランス21を支持及び配線することが好ましい。さらに、(4λ/2)共振モードで振動する本実施形態に係る圧電トランス21は、高周波駆動が可能であり、高電力化を図ることができる。
In this example as well, the capacitance ratio of the capacitors C2a and C2p shown in FIG. 1 can be set by setting the length of the second
また、第1入力電極E31及び第2入力電極E32と第1出力電極E33及び第2出力電極E34とは絶縁しているため、圧電トランス21により絶縁性のある変圧部を実現でき、高電圧を扱うことができる。さらに、変圧部に圧電トランス21を用いることで、受電装置201の小型化、及び低背化が可能となる。
In addition, since the first input electrode E31 and the second input electrode E32 are insulated from the first output electrode E33 and the second output electrode E34, an insulating transformer can be realized by the
(実施形態5)
以下に、本発明の実施形態5に係る圧電トランスについて説明する。本実施形態に係る圧電トランスは、(7λ/2)共振モードで振動する。
(Embodiment 5)
The piezoelectric transformer according to Embodiment 5 of the present invention will be described below. The piezoelectric transformer according to this embodiment vibrates in the (7λ / 2) resonance mode.
図12は、実施形態5に係る圧電トランスの断面図である。図12に示す矢印は、各領域31〜33における分極方向であり、破線は、圧電体板30の応力分布を示す。また、図12の下部に示す波形は、振動する圧電体板30の変位分布を示す。
FIG. 12 is a cross-sectional view of the piezoelectric transformer according to the fifth embodiment. The arrows shown in FIG. 12 are the polarization directions in the
第1高電圧領域31は、長さ3L/7を有している。第1高電圧領域31は、同じ長さL/7(=λ/2)を有する第1領域311、第2領域312、及び第3領域313を有している。第1領域311及び第3領域313は、応力の向きが同じであり、分極方向も同方向である。第2領域312は、第1領域311及び第3領域313とは、応力の方向が反対方向であるため、分極方向も反対方向である。また、第1領域311と第2領域312との間、及び、第2領域312と第3領域313との間それぞれには、積層構造の分極用内部電極E351,E352が設けられている。
The first
第2高電圧領域32は、長さL/7(=λ/2)を有している。第2高電圧領域32は、応力方向が、第1領域311及び第3領域313と同じであり、分極方向も第1領域311及び第3領域313と同じである。
The second
低電圧領域33は、長さ3L/7を有している。そして、低電圧領域33は、それぞれ同じ長さL/7(=λ/2)の第1領域331、第2領域332、及び第3領域333を有している。第1領域331及び第3領域333は、応力の方向が同じであり、分極方向は同方向である。第2領域332は、第1領域331及び第3領域333とは応力の方向が反対方向であり、分極方向は、第1領域331及び第3領域333と反対方向である。また、図示しないが、実施形態4と同様に、低電圧領域33に設けられる出力電極は、第1領域331と第2領域332と第3領域333とに分離されている。さらに、図12では図示していないが、低電圧領域33には、図3で説明した複数の内部電極が積層して設けられている。そして、本実施形態の場合、複数の内部電極は、第1領域331と第2領域332と第3領域333とそれぞれに分離して設けられている。
The
この例でも、実施形態1と同様に、第2高電圧領域32のX軸方向の長さを設定することで、図1に示すキャパシタC2a,C2pの容量比を設定することができる。なおこの場合、キャパシタC2a,C2pの容量比は1:3である。また、圧電トランス21を実装する場合、変位分布が最も小さい位置P(図中の破線矢印)で圧電トランス21を支持及び配線することが好ましい。さらに、(7λ/2)共振モードで振動する本実施形態に係る圧電トランス21は、高周波駆動が可能であり、高電力化を図ることができる。
In this example as well, the capacitance ratio of the capacitors C2a and C2p shown in FIG. 1 can be set by setting the length of the second
また、第1入力電極E31及び第2入力電極E32と第1出力電極E33及び第2出力電極E34とは絶縁しているため、圧電トランス21により絶縁性のある変圧部を実現でき、高電圧を扱うことができる。さらに、変圧部に圧電トランス21を用いることで、受電装置201の小型化、及び低背化が可能となる。
In addition, since the first input electrode E31 and the second input electrode E32 are insulated from the first output electrode E33 and the second output electrode E34, an insulating transformer can be realized by the
以上、実施形態1〜5で本発明に係る圧電トランスについて説明したが、何れの圧電トランスであっても、キャパシタC2a,C2pの容量比を設定することができるため、ワイヤレス電力伝送システム100の受電装置201にこの圧電トランスを用いることで、受電装置201の基準電位を安定化できる。その結果、基準電位の変動による不具合を防止できる。また、受電装置201に圧電トランスを用いることで、受電装置201の小型化、低背化を実現できる。
As described above, the piezoelectric transformer according to the present invention has been described in the first to fifth embodiments. However, any of the piezoelectric transformers can set the capacitance ratio of the capacitors C2a and C2p. By using this piezoelectric transformer for the
1…圧電トランス
11…入力電源回路
12…アクティブ電極(送電側アクティブ電極)
13…パッシブ電極(送電側パッシブ電極)
21…圧電トランス
22…アクティブ電極(受電側アクティブ電極)
23…パッシブ電極(受電側パッシブ電極)
30…圧電体板
31…第1高電圧領域(第1高電圧部)
32…第2高電圧領域(第2高電圧部)
33…低電圧領域(低電圧部)
100…ワイヤレス電力伝送システム
101…送電装置
201…受電装置
311…第1領域
312…第2領域
313…第3領域
331…第1領域
332…第2領域
333…第3領域
C1a,C1p…キャパシタ
C2a,C2p…キャパシタ
C2p…キャパシタ
C3,C4,C5…キャパシタ
DB…ダイオードブリッジ
E31…第1入力電極
E311…内部電極
E31A,E31B…第1入力電極
E32…第2入力電極
E321…内部電極
E32A,E32B…第2入力電極
E33…第1出力電極
E33…第2出力電極
E331,E341…内部電極
E33A…第1出力電極
E33B…第2出力電極
E34…第2出力電極
E341…内部電極
E34A…第2出力電極
E34B…第2出力電極
E35…分極用内部電極
E351,E352…分極用内部電極
L1,L2…インダクタ
RL…負荷回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric transformer 11 ... Input
13 ... Passive electrode (power transmission side passive electrode)
21 ...
23 ... Passive electrode (power-receiving-side passive electrode)
30 ...
32. Second high voltage region (second high voltage section)
33 ... Low voltage region (low voltage part)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
共振周波数での波長をλで表すと、
nλ/2の長さ、λ/2未満の幅、及び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、
長さ方向に沿って、第1高電圧部、低電圧部、及び第2高電圧部を順に有し、
前記低電圧部は、
分極方向が厚み方向であり、厚み方向に対向する第1低電圧用電極、及び第2低電圧用電極を有し、
前記第1高電圧部は、
分極方向が長さ方向であり、前記圧電体板の一端部に設けられた第1高電圧用電極を有し、
前記第2高電圧部は、
分極方向が長さ方向であり、前記圧電体板の他端部に設けられた第2高電圧用電極を有し、
前記第1高電圧部と前記第2高電圧部との長さが異なる、
圧電トランス。 A piezoelectric transformer using a longitudinal vibration mode of order n (n is an integer of 1 or more),
When the 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,
The piezoelectric plate is
Along the length direction, the first high voltage part, the low voltage part, and the second high voltage part in order,
The low voltage part is
The polarization direction is the thickness direction, and the first low voltage electrode and the second low voltage electrode are opposed to the thickness direction,
The first high voltage unit includes:
The polarization direction is the length direction, and has a first high voltage electrode provided at one end of the piezoelectric plate,
The second high voltage unit includes:
The polarization direction is the length direction, and has a second high voltage electrode provided at the other end of the piezoelectric plate,
The first high voltage part and the second high voltage part have different lengths.
Piezoelectric transformer.
前記低電圧部は、
長さ方向に複数の領域に分割され、隣接する領域との境界で、応力発生時における応力分布の向きが反転し、
前記複数の領域は、それぞれの分極方向が隣接する領域とは反対方向であり、
前記第1低電圧用電極、及び前記第2低電圧用電極は、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 order n is 4 or more;
The low voltage part is
Divided into multiple regions in the length direction, the direction of the stress distribution at the time of stress generation is reversed at the boundary with the adjacent region,
The plurality of regions have opposite directions to the adjacent regions of the respective polarization directions;
The first low voltage electrode and the second low voltage electrode are provided in each of the plurality of regions.
The piezoelectric transformer according to claim 1.
前記第1高電圧部及び前記第2高電圧部の少なくとも一方は、
長さ方向に複数の領域に分割され、隣接する領域との境界における厚み方向に設けられた境界電極を有し、
前記複数の領域は、それぞれの分極方向が隣接する領域とは反対方向である、
請求項1又は2に記載の圧電トランス。 The order n is 4 or more;
At least one of the first high voltage part and the second high voltage part is:
The boundary electrode is divided into a plurality of regions in the length direction and provided in the thickness direction at the boundary with the adjacent region,
The plurality of regions are in directions opposite to the regions where the respective polarization directions are adjacent to each other.
The piezoelectric transformer according to claim 1 or 2.
前記送電側アクティブ電極に対向する受電側アクティブ電極、及び前記送電側パッシブ電極に対向する受電側パッシブ電極の間に生じる電圧を降圧部で降圧する受電装置と、
を備え、
前記降圧部は、
n(nは1以上の整数)次の縦振動モードを利用してなる圧電トランスを有し、
前記圧電トランスは、
共振周波数での波長をλで表すと、
nλ/2の長さ、λ/2未満の幅、及び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、
長さ方向に沿って、第1高電圧部、低電圧部、及び第2高電圧部を順に有し、
前記低電圧部は、
分極方向が厚み方向であり、幅方向に対向する第1低電圧用電極、及び第2低電圧用電極を有し、
前記第1高電圧部は、
分極方向が長さ方向であり、前記圧電体板の一端部に設けられた第1高電圧用電極を有し、
前記第2高電圧部は、
分極方向が長さ方向であり、前記圧電体板の他端部に設けられた第2高電圧用電極を有し、
前記第1高電圧部と前記第2高電圧部との長さが異なる
ワイヤレス電力伝送システム。 A power transmission device for applying a voltage to the power transmission side active electrode and the power transmission side passive electrode;
A power receiving device that steps down a voltage generated between a power receiving side active electrode facing the power transmitting side active electrode and a power receiving side passive electrode facing the power transmitting side passive electrode by a step-down unit;
With
The step-down unit is
n (n is an integer of 1 or more) having a piezoelectric transformer using the following longitudinal vibration mode,
The piezoelectric transformer is
When the 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,
The piezoelectric plate is
Along the length direction, the first high voltage part, the low voltage part, and the second high voltage part in order,
The low voltage part is
The polarization direction is the thickness direction, and the first low voltage electrode and the second low voltage electrode are opposed in the width direction,
The first high voltage unit includes:
The polarization direction is the length direction, and has a first high voltage electrode provided at one end of the piezoelectric plate,
The second high voltage unit includes:
The polarization direction is the length direction, and has a second high voltage electrode provided at the other end of the piezoelectric plate,
The wireless power transmission system, wherein the first high voltage unit and the second high voltage unit have different lengths.
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---|---|---|---|
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6080084B1 (en) * | 2016-02-09 | 2017-02-15 | 株式会社エム・システム技研 | 2-wire signal isolation circuit using a piezoelectric transformer |
-
2014
- 2014-09-05 JP JP2014180802A patent/JP2015092545A/en active Pending
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JP6080084B1 (en) * | 2016-02-09 | 2017-02-15 | 株式会社エム・システム技研 | 2-wire signal isolation circuit using a piezoelectric transformer |
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