JP2015092545A - Piezoelectric transformer, and wireless power transmission system - Google Patents

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市川 敬一
Keiichi Ichikawa
敬一 市川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric transformer that can set a ratio of capacitances occurring at a high voltage part and a low voltage part, and a wireless power transmission system including the same.SOLUTION: There is provided a piezoelectric transformer 21 using a longitudinal vibration mode of a degree n (n is an integer of 1 or more), and including a piezoelectric plate 30 having a length of nλ/2, a width of less than nλ/2, and a thickness of less than λ/2, where λ represents a wavelength at a resonance frequency. The piezoelectric plate 30 has, in order along the length direction, a first high-voltage area 31, a low-voltage area 33, and a second high-voltage area 32. The low-voltage area 33 has a polarization direction in the thickness direction, and has a first output electrode E33 and a second output electrode E34 arranged opposite to each other in the thickness direction. The first high-voltage area 31 has a polarization direction in the longitudinal direction, and has a first input electrode E31 provided at one end of the piezoelectric plate 30. The second high-voltage area 32 has a polarization direction in the length direction, and has a second input electrode E32 provided at the other end of the piezoelectric plate 30.

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.

特表2009−531009号公報Special table 2009-531009

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.

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図Circuit diagram of wireless power transmission system according to the present invention 実施形態1に係る圧電トランスの斜視図1 is a perspective view of a piezoelectric transformer according to Embodiment 1. FIG. 図2のIII−III線の断面図Sectional view taken along line III-III in FIG. 図2のIV−IV線の断面図Sectional view taken along line IV-IV in FIG. 第1高電圧領域、第2高電圧領域及び低電圧領域の分極方向を説明するための図The figure for demonstrating the polarization direction of a 1st high voltage area | region, a 2nd high voltage area | region, and a low voltage area | region. 実施形態1の別の例を示す圧電トランスの斜視図The perspective view of the piezoelectric transformer which shows another example of Embodiment 1. FIG. 図6のVII−VII線における断面図Sectional view taken along line VII-VII in FIG. 実施形態2に係る圧電トランスの断面図Sectional drawing of the piezoelectric transformer which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施形態3に係る圧電トランスの断面図Sectional drawing of the piezoelectric transformer which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施形態4に係る圧電トランスの斜視図A perspective view of a piezoelectric transformer according to a fourth embodiment. 図10のXI−XI線の断面図Sectional view taken along line XI-XI in FIG. 実施形態5に係る圧電トランスの断面図Sectional drawing of the piezoelectric transformer which concerns on Embodiment 5. FIG.

(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 power transmission system 100 according to the present invention. The wireless power transmission system 100 includes a power transmission device 101 and a power reception device 201.

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 power transmission apparatus 101 includes an input power supply circuit 11. The input power circuit 11 converts a DC voltage (for example, DC 19 V) converted from an AC voltage (AC 100 V to 230 V) by an AC adapter connected to a commercial power source into an AC voltage by a DC-AC inverter circuit, and boosts the voltage by a step-up transformer. To do. It is desirable to generate a sinusoidal AC voltage by resonating the inductance component of the step-up transformer and the capacitance of the capacitive coupling portion.

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 active electrode 12 and a passive electrode 13 are connected to the input power circuit 11. The active electrode 12 and the passive electrode 13 are both flat, and the active electrode 12 has a smaller area than the passive electrode 13. The active electrode 12 is on the high potential side, and the passive electrode 13 is on the low potential side. An alternating voltage output from the input power supply circuit 11 is applied to the active electrode 12 and the passive electrode 13.

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 active electrode 12 and the passive electrode 13. The capacitor C3 is a stray capacitance generated between the active electrode 12 and the passive electrode 13, or a stray capacitance generated between coils of the step-up transformer included in the input power supply circuit 11. C3, together with C1a and C1p, is a part of the capacity that resonates with the leakage inductance component on the power transmission side, and is an element that sets the resonance frequency of the power transmission side resonance circuit.

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 power receiving device 201 includes an active electrode 22 and a passive electrode 23. Each of the active electrode 22 and the passive electrode 23 has substantially the same area as each of the active electrode 12 and the passive electrode 13, and when the power receiving device 201 is placed on the power transmitting device 101, the active electrode 12 and the passive electrode of the power transmitting device 101. It faces 13 through a gap. When an AC voltage is applied to the active electrode 12 and the passive electrode 13, an electric field is generated in the active electrodes 12, 22 and the passive electrodes 13, 22 that are opposed to each other. Power is transmitted to 201.

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 active electrode 22 and the passive electrode 23. The capacitor C4 is a stray capacitance generated between the active electrode 22 and the passive electrode 23. It is desirable that the capacitor C4 be as small as possible in order to increase the degree of coupling between the power transmitting apparatus 101 and the power receiving apparatus 201 and reduce reactive power.

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 piezoelectric transformer 21 according to the first embodiment is connected to the active electrode 22 and the passive electrode 23 of the power receiving device 201. The piezoelectric transformer 21 includes a first input electrode E31 and a second input electrode E32, and a first output electrode E33 and a second output electrode E34. The active electrode 22 is connected to the input electrode E31, and the passive electrode 23 is connected to the second input electrode E32. The piezoelectric transformer 21 steps down the voltage applied to the first input electrode E31 and the second input electrode E32 and outputs the voltage from the first output electrode E33 and the second output electrode E34.

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 power receiving apparatus 201. A resonance inductor L1, a rectification diode bridge DB, a smoothing inductor L2 and a capacitor C5 are connected to the first output electrode E33 and the second output electrode E34. The rectified and smoothed voltage is supplied to a load circuit RL including a secondary battery and a charging circuit.

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 piezoelectric transformer 21 will be described later, the first input electrode E31 and the second input electrode E32, and the first output electrode E33 and the second output electrode E34 of the piezoelectric transformer 21 are kept insulative. . For this reason, in the step-down unit of the power receiving apparatus 201, the influence of noise due to the high-voltage unit (the coupling of the active electrodes 12 and 22) to the load circuit RL side can be suppressed by electrically insulating the input and output.

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 piezoelectric transformer 21, and the capacitor C2p includes the second input electrode E32 and the second input electrode E32. 1 is a capacitance component generated between the output electrodes E33 and E34. The first output electrode E33 is connected to the reference potential of the power receiving device 201. In other words, the capacitor C2a is a capacitance generated between the active electrode 22 and the reference potential, and the capacitor C2p is a capacitance generated between the passive electrode 23 and the reference potential.

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 power transmission device 101 side, in order to maintain the connection point of the capacitors C1a and C1p at the reference potential (0 V) of the power transmission device 101, the capacitance ratio of the capacitors C1a and C1p is (according to the equilibrium condition of Wheatstone bridge). The capacitance ratio between the capacitance formed by the active electrodes 12 and 22 and the capacitance formed by the passive electrodes 13 and 23 is set to be the same.

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 power receiving device 201 side, in order to maintain the connection point of the capacitors C2a and C2p, that is, the potential (reference potential) of the first output electrode E33 at a constant value (0 V), the capacitance ratio of the capacitors C2a and C2p. Is desired to be the same as the capacitance ratio between the capacitance formed by the active electrodes 12 and 22 and the capacitance formed by the passive electrodes 13 and 23. In this case, the reference potential of the power receiving apparatus 201 can be stabilized, and as a result, problems due to fluctuations in the reference potential can be suppressed. For this reason, the piezoelectric transformer 21 according to the present embodiment has a capacitance between the first input electrode E31 and the first output electrode E33 and a capacitance between the second input electrode E32 and the first output electrode E33. The ratio can be set.

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 piezoelectric transformer 21 which concerns on this embodiment is demonstrated.

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 piezoelectric body plate 30 having a length L, a thickness T, and a width W. The piezoelectric plate 30 is formed by stacking, for example, PZT ceramic sheets. In the following, the length direction is the X-axis direction, the width direction is the Y-axis direction, and the thickness direction is the Z-axis direction.

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 piezoelectric transformer 21 according to the present embodiment is assumed to vibrate in the length direction in the (λ / 2) resonance mode. Here, λ is one wavelength of vibration in the length direction. Therefore, the length L is (λ / 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 the vibration of the entire piezoelectric transformer 21 is not unstable.

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 piezoelectric plate 30 has a first high voltage region 31, a second high voltage region 32, and a low voltage region 33 formed along the X-axis direction. More specifically, the first high voltage region 31 and the second high voltage region 32 are provided on both ends of the piezoelectric plate 30 with the low voltage region 33 interposed therebetween. The length of the first high voltage region 31 is longer than that of the second high voltage region 32.

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 high voltage region 31 is provided with a first input electrode E31, and the second high voltage region 32 is provided with a second input electrode E32. The first input electrode E31 and the second input electrode E32 are provided on both side surfaces of the piezoelectric plate 30 facing each other in the X-axis direction, and face each other. The first input electrode E31 is connected to the active electrode 22 shown in FIG. 1, and the second input electrode E32 is connected to the passive electrode 23. The first input electrode E31 corresponds to a first high voltage electrode according to the present invention, and the second input electrode E32 corresponds to a second high voltage electrode according to the present invention.

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 low voltage region 33 facing the Y-axis direction. The low voltage region 33 is provided with a plurality of internal electrodes E331 and E341 that are alternately provided along the Z-axis direction. The internal electrode E331 is connected to the first output electrode E33, and the internal electrode E341 is connected to the second output electrode E34. That is, the first output electrode E33 and the internal electrode E331 form an electrode having the same potential, and this electrode corresponds to the first low voltage electrode according to the present invention. The second output electrode E34 and the internal electrode E341 form an electrode having the same potential, and this electrode corresponds to the second low voltage electrode according to the present invention. The first output electrode E33 and the second output electrode E34 are connected to a rectifying / smoothing circuit including a diode bridge DB. The first output electrode E33 is connected to the reference potential of the power receiving device 201.

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 high voltage region 31, the second high voltage region 32, and the low voltage region 33. The arrows shown in FIG. 5 are the polarization directions in the regions 31 to 33, and the broken lines indicate the stress distribution of the piezoelectric plate 30. The waveform shown in the lower part of FIG. 5 shows the displacement distribution of the vibrating piezoelectric plate 30.

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 high voltage region 31 has a length L / 2. The second high voltage region 32 has a length X (<L / 2). Each of the first high voltage region 31 and the second high voltage region 32 is polarized in the X-axis direction. The low voltage region 33 is polarized in the Z-axis direction. Examples of the polarization treatment method include a method of applying a voltage of 2 kV / mm to the piezoelectric plate 30 in an insulating oil at 170 ° C.

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 piezoelectric transformer 21 is mounted, the piezoelectric transformer 21 is supported and wired at the position P where the vibration displacement is the smallest (broken arrow in the figure), so that the vibration of the piezoelectric transformer 21 is not hindered. It is possible to prevent the connection reliability from lowering due to the displacement of the piezoelectric plate 30 later. In the present embodiment, the length of the first high voltage region 31 is L / 2. However, as described above, the low voltage region 33 may be formed so as to straddle the position P where the vibration displacement is smallest. The length of one high voltage region 31 is not necessarily L / 2.

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 piezoelectric plate 30 vibrates. Thereby, in the low voltage region 33, a voltage is generated between the internal electrodes E331 and E341 due to the piezoelectric effect. Then, it is possible to take out the transformed (step-down) voltage from the first output electrode E33 and the second output electrode E34.

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 piezoelectric transformer 21 configured as described above, by determining the length X of the second high voltage region 32, each of the capacitors C2p between the second input electrode E32 and the second output electrode E33 described in FIG. Can be set. As a result, the capacitance ratio of the capacitors C2a and C2p can be set, and the capacitance ratio between the capacitance formed by the active electrodes 12 and 22 and the capacitance formed by the passive electrodes 13 and 23 can be made the same. Thereby, the reference potential of the power receiving apparatus 201 can be stabilized.

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 piezoelectric transformer 21, and a high voltage is generated. Can be handled. Furthermore, by using the piezoelectric transformer 21 for the transformer, the power receiving device 201 can be reduced in size and height.

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 piezoelectric transformer 21 showing another example of the first embodiment. 7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG.

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 high voltage region 31 and the second high voltage region 32 is different from the configuration shown in FIGS. Opposite first input electrodes E31A and E31B are provided on the side surfaces of the first high voltage region 31 that oppose each other in the Y-axis direction. A plurality of internal electrodes E311 provided along the Z-axis direction are provided in the first high voltage region 31. The laminated internal electrodes E311 are alternately connected to the first input electrodes E31A and E31B.

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 high voltage region 32 that face each other in the Y-axis direction. A plurality of internal electrodes E321 provided along the Z-axis direction are provided inside the second high voltage region 32. The laminated internal electrodes E321 are alternately connected to the second input electrodes E32A and E32B.

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 piezoelectric transformer 21 of this example can be mounted on the same plane (both side surfaces in this example) of the piezoelectric plate 30 for both the input electrode and the output electrode, so that the piezoelectric transformer 21 can be easily mounted.

(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 Embodiment 2 of the present invention will be described below. The piezoelectric transformer according to this embodiment vibrates in the λ resonance mode.

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 regions 31 to 33, and the broken lines indicate the stress distribution of the piezoelectric plate 30. The waveform shown in the lower part of FIG. 8 shows the displacement distribution of the vibrating piezoelectric plate 30. In FIG. 8, internal electrodes E331 and E341 (see FIG. 3) provided in the low voltage region 33 are the same as those in the first embodiment, and illustration thereof is omitted.

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 high voltage region 31 has a length L / 2. The second high voltage region 32 has a length X (<L / 2). The polarization direction of the second high voltage region 32 is opposite to the polarization direction of the first high voltage region 31. In the case of the λ mode of the present embodiment, unlike the first embodiment, the direction of the stress is reverse with respect to the center of the piezoelectric plate 30 (the boundary between the first high voltage region 31 and the low voltage region 33). Therefore, the polarization directions of the first high voltage region 31 and the second high voltage region 32 need to be opposite to each other.

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 high voltage region 32 in the X-axis direction as in the first embodiment. Further, when the piezoelectric transformer 21 is mounted, it is preferable to support and wire the piezoelectric transformer 21 at a position P having a smallest displacement distribution (broken arrow in the figure).

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 piezoelectric transformer 21, and a high voltage is generated. Can be handled. Furthermore, by using the piezoelectric transformer 21 for the transformer, the power receiving device 201 can be reduced in size and height.

(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 regions 31 to 33, and the broken lines indicate the stress distribution of the piezoelectric plate 30. Further, the waveform shown in the lower part of FIG. 9 shows the displacement distribution of the vibrating piezoelectric plate 30. In FIG. 9, internal electrodes E331 and E341 (see FIG. 3) provided in the low voltage region 33 are the same as those in the first embodiment, and illustration thereof is omitted.

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 high voltage region 31 has a length L / 2. The first high voltage region 31 includes a first region 311 and a second region 312 that are equally divided. Since the stress directions of the first region 311 and the second region 312 are reversed with respect to the boundary, the polarization directions of the first region 311 and the second region 312 are opposite to each other. In this case, a polarization internal electrode E35 having a laminated structure is provided between the first region 311 and the second region 312.

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 high voltage region 32 has a length L / 4. That is, the length of the first high voltage region 31 in the X-axis direction is about twice that of the second high voltage region 32, and the capacitance of the capacitor C2p is twice that of the capacitor C2a. The second high voltage region 32 has the same stress direction and the same polarization direction as the second region 312 of the first high voltage region 31.

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 high voltage region 32 in the X-axis direction as in the first embodiment. In this case, the capacitance ratio of the capacitors C2a and C2p is 1: 2. Further, when the piezoelectric transformer 21 is mounted, it is preferable to support and wire the piezoelectric transformer 21 at a position P having a smallest displacement distribution (broken arrow in the figure). Furthermore, the piezoelectric transformer 21 according to the present embodiment that vibrates in the (4λ / 2) resonance mode can be driven at a high frequency, and can achieve high power.

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 piezoelectric transformer 21, and a high voltage is generated. Can be handled. Furthermore, by using the piezoelectric transformer 21 for the transformer, the power receiving device 201 can be reduced in size and height.

(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 Embodiment 4 of the present invention will be described below. The piezoelectric transformer according to the present embodiment vibrates in the (4λ / 2) resonance mode as in the third embodiment, but differs in that the length of the second high voltage region is shorter than that in the third embodiment.

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 regions 31 to 33, and the broken lines indicate the stress distribution of the piezoelectric plate 30. Further, the waveform shown in the lower part of FIG. 11 shows the displacement distribution of the vibrating piezoelectric plate 30. In FIG. 11, internal electrodes E331 and E341 (see FIG. 3) provided in the low voltage region 33 are the same as those in the first embodiment, and illustration thereof is omitted.

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 high voltage region 31 has a length L / 2 as in the third embodiment. The first high voltage region 31 includes a first region 311 and a second region 312 whose polarization directions are opposite directions. Between the first region 311 and the second region 312, a polarization-structured internal electrode E35 having a laminated structure is provided.

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 high voltage region 32 has a length X (<L / 4). Since the length of the second high voltage region 32 in the X-axis direction is shortened, the length of the low voltage region 33 is longer than L / 4 (= λ / 2). As a result, in the low voltage region 33, there are two regions where the stress distributions are in opposite directions. For this reason, the low voltage region 33 includes a first region 331 and a second region 332 that are divided at a position where the stress distribution is in the opposite direction. The first region 331 and the second region 332 have opposite polarization directions. The output electrode provided in the low voltage region 33 is separated into a first region 331 and a second region 332. Specifically, a first output electrode E33A and a second output electrode E34A that are opposed to each other in the Y-axis direction are provided in the first region 331, and a second output electrode E33B and a second output electrode that are opposed to each other in the Y-axis direction are provided in the second region 332. An output electrode E34B is provided.

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 first region 331 and the second region 332.

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 high voltage region 32 in the X-axis direction as in the first embodiment. Further, when the piezoelectric transformer 21 is mounted, it is preferable to support and wire the piezoelectric transformer 21 at a position P having a smallest displacement distribution (broken arrow in the figure). Furthermore, the piezoelectric transformer 21 according to the present embodiment that vibrates in the (4λ / 2) resonance mode can be driven at a high frequency, and can achieve high power.

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 piezoelectric transformer 21, and a high voltage is generated. Can be handled. Furthermore, by using the piezoelectric transformer 21 for the transformer, the power receiving device 201 can be reduced in size and height.

(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 respective regions 31 to 33, and the broken lines indicate the stress distribution of the piezoelectric plate 30. Further, the waveform shown in the lower part of FIG. 12 shows the displacement distribution of the vibrating piezoelectric plate 30.

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 high voltage region 31 has a length of 3L / 7. The first high voltage region 31 includes a first region 311, a second region 312, and a third region 313 having the same length L / 7 (= λ / 2). The first region 311 and the third region 313 have the same direction of stress and the same polarization direction. The second region 312 has a direction of stress opposite to that of the first region 311 and the third region 313, and thus the polarization direction is also opposite. Further, polarization internal electrodes E351 and E352 having a laminated structure are provided between the first region 311 and the second region 312 and between the second region 312 and the third region 313, respectively.

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 high voltage region 32 has a length L / 7 (= λ / 2). The second high voltage region 32 has the same stress direction as that of the first region 311 and the third region 313, and the polarization direction is also the same as that of the first region 311 and the third region 313.

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 low voltage region 33 has a length of 3L / 7. The low voltage region 33 includes a first region 331, a second region 332, and a third region 333 having the same length L / 7 (= λ / 2). The first region 331 and the third region 333 have the same stress direction and the same polarization direction. The second region 332 is opposite to the first region 331 and the third region 333 in the direction of stress, and the polarization direction is opposite to that of the first region 331 and the third region 333. Although not shown, the output electrode provided in the low voltage region 33 is separated into a first region 331, a second region 332, and a third region 333, as in the fourth embodiment. Further, although not shown in FIG. 12, the plurality of internal electrodes described in FIG. In the present embodiment, the plurality of internal electrodes are provided separately in the first region 331, the second region 332, and the third region 333, respectively.

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 high voltage region 32 in the X-axis direction as in the first embodiment. In this case, the capacitance ratio of the capacitors C2a and C2p is 1: 3. Further, when the piezoelectric transformer 21 is mounted, it is preferable to support and wire the piezoelectric transformer 21 at a position P having a smallest displacement distribution (broken arrow in the figure). Furthermore, the piezoelectric transformer 21 according to the present embodiment that vibrates in the (7λ / 2) resonance mode can be driven at a high frequency, and can achieve high power.

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 piezoelectric transformer 21, and a high voltage is generated. Can be handled. Furthermore, by using the piezoelectric transformer 21 for the transformer, the power receiving device 201 can be reduced in size and height.

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 device 201, the reference potential of the power receiving device 201 can be stabilized. As a result, it is possible to prevent problems caused by fluctuations in the reference potential. Further, by using a piezoelectric transformer for the power receiving apparatus 201, the power receiving apparatus 201 can be reduced in size and height.

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 power supply circuit 12 ... Active electrode (power transmission side active electrode)
13 ... Passive electrode (power transmission side passive electrode)
21 ... Piezoelectric transformer 22 ... Active electrode (power-receiving-side active electrode)
23 ... Passive electrode (power-receiving-side passive electrode)
30 ... piezoelectric plate 31 ... first high voltage region (first high voltage part)
32. Second high voltage region (second high voltage section)
33 ... Low voltage region (low voltage part)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Wireless power transmission system 101 ... Power transmission apparatus 201 ... Power receiving apparatus 311 ... 1st area | region 312 ... 2nd area | region 313 ... 3rd area | region 331 ... 1st area | region 332 ... 2nd area | region 333 ... 3rd area | region C1a, C1p ... Capacitor C2a , C2p, capacitor C2p, capacitors C3, C4, C5, capacitor DB, diode bridge E31, first input electrode E311, internal electrodes E31A, E31B, first input electrode E32, second input electrode E321, internal electrodes E32A, E32B,. 2nd input electrode E33 ... 1st output electrode E33 ... 2nd output electrode E331, E341 ... Internal electrode E33A ... 1st output electrode E33B ... 2nd output electrode E34 ... 2nd output electrode E341 ... Internal electrode E34A ... 2nd output electrode E34B: Second output electrode E35: Polarization internal electrodes E351, E352: Polarization Part electrodes L1, L2 ... inductor RL ... load circuit

Claims (5)

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、
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、
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、
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、請求項1から3の何れかに記載の圧電トランス。   The piezoelectric transformer according to claim 1, wherein the piezoelectric plate is a laminated body in which a plurality of piezoelectric ceramic sheets are laminated. 送電側アクティブ電極及び送電側パッシブ電極に電圧を印加する送電装置と、
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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* Cited by examiner, † Cited by third party
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

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