JP5787037B2 - 圧電トランス - Google Patents
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Description
本発明は、圧電トランス、特に、非接触電力伝送などに用いられる圧電トランスに関する。
近年、携帯電話やデジタルカメラ等に搭載されている2次電池の充電方法として、非接触電力伝送が用いられている。また、非接触電力伝送の方式の一つに、対向する電極間の容量結合により電力を伝送する電界結合方式がある。電界結合方式の非接触電力伝送では、高電圧かつ高周波であることが、電力伝送の効率を高めるうえで重要である。従って、電界結合方式の非接触電力伝送を携帯電話等の電子機器に用いるためには、非接触電力伝送により送電側から供給される高電圧の電力を、受電側である電子機器において当該電子機器の回路に対応した低電圧の電力に変換する変圧器が必要となる。
ところで、非接触電力伝送用の変圧器として利用できる変圧器の一つに、圧電トランスがある。従来の圧電トランスとしては、例えば、特許文献1や特許文献2に記載の圧電トランスが知られている。ただし、特許文献1や特許文献2に記載の圧電トランスは、液晶ディスプレイのバックライトに用いられる冷陰極管用の圧電トランスである。冷陰極管用の圧電トランスは、非接触電力伝送用の変圧器に求められる周波数よりも低い周波数に対応している。このため、特許文献1や特許文献2に記載の圧電トランスを、そのまま、非接触電力伝送用の変圧器として利用することはできない。具体的には、特許文献1や特許文献2に記載の圧電トランスにおいて、非接触電力伝送用の変圧器に求められる高い周波数に対応するためには、2つの手段がある。1つは、圧電トランスをさらに小型化することであり、もう一つは、振動モードをより高次の振動モードに変更することである。前者の場合、特許文献1や特許文献2に記載の圧電トランスをさらに小型化すると、電力伝送の効率が低くなってしまう。従って、電力伝送の効率を損なうことなく、非接触電力伝送用の変圧器に求められる高い周波数に対応するためには、振動モードをより高次の振動モードに変更する必要がある。また、非接触電力伝送用の変圧器として利用できる変圧器には、圧電トランス以外に巻線トランスがある。巻線トランスは、非接触電力伝送用の変圧器として現在主流になっているものの、圧電トランスに比べ大型である。さらに、巻線トランスは、供給される電力の周波数が高くなるにつれ、電気抵抗が増大する懸念がある。
以上のような理由から、非接触電力伝送用の変圧器として、高次の振動モードを利用する圧電トランスが求められている。ここで、高次の振動モードを利用する圧電トランスの課題を説明するために、1次〜3次の振動モードを利用する圧電トランスの例を挙げる。
図12に示す圧電トランス500は、1次(基本)又は2次の振動モードを利用する圧電トランスである。図13に示す圧電トランス600は、3次の振動モードを利用する圧電トランスである。図12は、圧電トランス500の側面、圧電トランス500の各部位の応力及び変位を表した図である。図13は、圧電トランス600の側面、圧電トランス600の各部位の応力及び変位を表した図である。図12及び図13における各矢印は分極方向を示している。また、図12における(a)のグラフは、1次の振動モードにおける各部位の応力W1a及び変位W1bを表し、図12における(b)のグラフは、2次の振動モードにおける各部位の応力を表す波形W2a及び変位を表すW2bを表している。図13におけるグラフは、3次の振動モードにおける各部位の応力W3a及び変位W3bを表している。
圧電トランス500は、図12に示すように、圧電セラミックスからなる長板状の圧電体501、入力電極520及び出力電極530を有している。入力電極520は、圧電体501の一方側の両主面に設けられている。出力電極530は、圧電体501の他方側の端面に設けられている。図12に示すように、圧電体501の一方側は、圧電体501の厚さ方向に分極され、圧電体501の他方側は、圧電体501の長さ方向に分極されている。
圧電トランス500では、入力電極520に特定の周波数の電圧が印加されると、逆圧電効果により圧電体501に強い機械振動が発生する。このとき、圧電体501には、半波長の長さを有する定在波が発生する。さらに、圧電トランス500は、圧電効果によりその機械振動に対応する電圧を出力電極530から出力する。
圧電トランス600は、図13に示すように、圧電セラミックスからなる長板状の圧電体601、入力電極620及び出力電極630を有している。入力電極620は、圧電体601の中央部の両主面に設けられている。出力電極630は、圧電体601の長さ方向の両端面に設けられている。圧電体601の中央部は、圧電体601の厚さ方向に分極され、圧電体601の両端部は、圧電体601の長さ方向に分極されている。
圧電トランス600では、入力電極620に特定の周波数の電圧が印加されると、逆圧電効果により圧電体601に強い機械振動が発生する。このとき、圧電体601には、1.5波長の長さを有する定在波が発生する。さらに、圧電トランス600は、圧電効果によりその機械振動に対応する電圧を出力電極630から出力する。
ここで、図12及び図13に記載の各波形を比較する。具体的には、各振動モードの波形W1b,W2b及びW3bにおいて、変位が揃っている左端の点を基準点(位相=0°)として、変位の波形の位相が180°となる腹の頂点の位置を比較する。2次の振動モードの腹の頂点の位置と3次の振動モードの腹の頂点の位置との距離は、1次の振動モードの腹の頂点の位置と2次の振動モードの腹の頂点の位置との距離よりも短い。これは、高次の振動モードになるにつれ波長が短くなるため、各振動モードの変位の波形における基準点近傍の腹部の頂点が近接することを意味する。つまり、高次の振動モードを利用する圧電トランスでは、類似の波形の振動モードが、複数混在することになる。従って、高次の振動モードを利用する圧電トランスでは、所望の振動モードを励振しようとしても、所望の振動モードと類似の波形を有する別の振動モードを励振してしまうおそれがある。すなわち、高次の振動モードを利用する圧電トランスでは、低次の振動モードを利用する圧電トランスと比べ、不要な振動モードが発生しやすくなるという課題がある。
そこで、本発明の目的は、不要な振動モードの発生を抑制することを可能とする圧電トランスを提供することである。
本発明に係る圧電トランスは、7次以上の振動モードを利用する圧電トランスであって、長さ方向に等分された複数の分極領域を有する圧電体であって、該複数の分極領域における第1の分極領域により構成される複数の駆動部、及び該複数の分極領域における第2の分極領域により構成される発電部が設けられた圧電体と、前記複数の駆動部のそれぞれに電圧を印加する入力電極と、前記発電部で発生した電圧が出力される出力電極と、を備えており、前記複数の駆動部及び前記発電部は、前記圧電体の前記長さ方向に並んでおり、前記複数の駆動部は、前記圧電体の前記長さ方向の中心を通過し該長さ方向と直交する平面に関して離間して対称に配置され、かつ、前記圧電体における半分以上の領域を占めており、前記複数の駆動部のそれぞれは、隣り合う2つ以上の分極領域により構成され、前記複数の駆動部において励振される前記振動モードの波形は、前記複数の分極領域を1区間進む毎に位相が180°進むこと、を特徴とする。
本発明に係る圧電トランスによれば、不要な振動モードの発生を抑制することができる。
以下に、本発明の一形態に係る圧電トランス及びその製造方法について説明する。
(圧電トランスの構成)
以下で、本発明の一形態に係る圧電トランスの構成について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一形態に係る圧電トランス10の外観斜視図である。図2は、図1のA−A断面における断面図である。図3は、本発明の一形態に係る圧電トランス10の各部位での分極方向及び変位を表した図である。図3における各矢印は分極方向を示している。以下、圧電トランス10の長手方向をx軸方向とし、これと直交する方向をy軸方向、z軸方向と定義する。なお、x軸、y軸及びz軸は互いに直交している。
以下で、本発明の一形態に係る圧電トランスの構成について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一形態に係る圧電トランス10の外観斜視図である。図2は、図1のA−A断面における断面図である。図3は、本発明の一形態に係る圧電トランス10の各部位での分極方向及び変位を表した図である。図3における各矢印は分極方向を示している。以下、圧電トランス10の長手方向をx軸方向とし、これと直交する方向をy軸方向、z軸方向と定義する。なお、x軸、y軸及びz軸は互いに直交している。
圧電トランス10は、図1に示すように、直方体状を成している。また、圧電トランス10は、圧電体20、入力電極30,32、出力電極40及びグランド電極50を備える、降圧用の圧電トランスである。
圧電体20は、図1に示すように、直方体状を成している。また、y軸及びz軸を含む平面と平行な断面における圧電体20の断面形状は、正方形である。さらに、圧電体20は、図3に示すように、x軸方向に沿って、7つの分極領域に等分されている。圧電体20の各分極領域を、分極領域21〜27と称し、これらはこの順に、x軸負方向側からx軸正方向側に向かって並んでいる。なお、本実施形態における圧電体20は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系圧電セラミックスからなるが、例えば、チタン酸鉛などからなるものであってもよい。
分極領域21,22は、図3の矢印が示すように、x軸方向と平行な方向に分極されている。また、互いに隣り合う分極領域21の分極方向21dと分極領域22の分極方向22dとは、逆向きである。具体的には、分極方向21dはx軸負方向側を向いており、分極方向22dはx軸正方向側を向いている。分極領域21,22は、第1の分極領域を構成している。
分極領域23〜25は、図3の矢印が示すように、z軸方向と平行な方向に分極されている。また、互いに隣り合う分極領域23の分極方向23dと分極領域24の分極方向24dとは、逆向きである。さらに、互いに隣り合う分極領域24の分極方向24dと分極領域25の分極方向25dとは、逆向きである。具体的には、分極方向23d,25dはz軸正方向側を向いており、分極方向24dはz軸負方向側を向いている。分極領域23〜25は、第2の分極領域を構成している。
分極領域26,27は、図3の矢印が示すように、x軸方向と平行な方向に分極されている。また、互いに隣り合う分極領域26の分極方向26dと分極領域27の分極方向27dとは、逆向きである。具体的には、分極方向26dはx軸負方向側を向いており、分極方向27dはx軸正方向側を向いている。分極領域26,27は、第1の分極領域を構成している。なお、互いに隣り合う分極領域の間に分極用電極(図示せず)を形成した上で分極処理を行うことにより、互いに隣り合う分極領域の分極方向を逆向きである分極領域21〜27が形成される。
入力電極30,32は、図1に示すように、圧電体20におけるx軸方向の両端に設けられた、Au,Ag,Pd,Cu等の金属及びこれらの合金から成る電極である。具体的には、入力電極30は、圧電体20のx軸負方向側の端面を覆うように設けられている。また、入力電極32は、圧電体20のx軸正方向側の端面を覆うように設けられている。これにより、入力電極30,32は、x軸方向から見たときに、正方形状を成している。なお、入力電極30,32は、交流電源と電気的に接続される。
出力電極40は、出力用外部電極42及び出力用内部電極441〜44nを備える。出力用外部電極42は、図1に示すように、分極領域23〜25における、y軸正方向側の面及びz軸正方向側の面を覆うように設けられている。
また、出力用内部電極441〜44nそれぞれは、圧電体20の内部における分極領域23〜25に跨って設けられている。さらに、出力用内部電極441〜44nは、z軸方向と直交する長方形状の平板であり、図2に示すように、z軸正方向側からz軸負方向側に向かって、この順に複数枚設けられている。そして、出力用内部電極441〜44nそれぞれは、出力用外部電極42と電気的に接続されている。なお、出力電極40は、Au,Ag,Pd,Cu等の金属及びこれらの合金から成る。
グランド電極50は、グランド用外部電極52及びグランド用内部電極541〜54nを備える。グランド用外部電極52は、図1に示すように、分極領域23〜25における、y軸負方向側の面及びz軸負方向側の面を覆うように設けられている。
また、グランド用内部電極541〜54nそれぞれは、圧電体20の内部における分極領域23〜25に跨って設けられている。さらに、グランド用内部電極541〜54nは、z軸方向と直交する長方形状の平板であり、図2に示すように、z軸方向の正方向側から負方向側に向かって、この順に複数枚設けられている。そして、グランド用内部電極541〜54nそれぞれは、グランド用外部電極52と電気的に接続されている。また、グランド電極50は、Au,Ag,Pd,Cu等の金属及びこれらの合金から成る。
以上のように構成された圧電トランス10では、入力電極30とグランド電極50とに挟まれる区間、すなわち分極領域21,22に、7次の振動モードに対応した周波数の電圧が印加されると、逆圧電効果により、圧電体20にx軸方向と平行な長さ振動が発生する。つまり、分極領域21,22は、圧電トランス10における駆動部である。ここで、分極領域21,22により構成される駆動部を駆動部60と称す。
また、圧電トランス10では、分極領域21,22に7次の振動モードに対応した周波数の電圧が印加されると同時に、入力電極32とグランド電極50とに挟まれる区間、すなわち分極領域26,27にも7次の振動モードに対応した周波数の電圧が印加され、圧電体20にx軸方向と平行な長さ振動が発生する。つまり、分極領域26,27も、圧電トランス10における駆動部である。ここで、分極領域26,27により構成される駆動部を駆動部62と称す。
以上より、圧電体20は、2つの駆動部60,62を有している。さらに、駆動部60,62は、図3に示すように、圧電体20のx軸方向の中心を通過し、x軸と直交する平面S1に関して対称に配置されている。また、駆動部60,62は、圧電体20の7等分された分極領域の半分以上にあたる4つの分極領域21,22,26,27を含む。さらに、駆動部60は、隣り合う2つの分極領域21,22により構成され、駆動部62は、隣り合う2つの分極領域26,27により構成されている。
また、圧電トランス10では、上記の圧電体20の振動が、圧電効果により分極領域23〜25において電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーが、出力電極40から取り出され、出力電極40と電気的に接続された電子部品に供給される。ここで、分極領域23〜25により構成される発電部を発電部70と称す。
なお、圧電トランス10では、入力電極30,32とグランド電極50との対向面積は、出力電極40とグランド電極50との対向面積よりも小さい。また、入力電極30,32のそれぞれとグランド電極50との距離は、出力電極40とグランド電極50との距離よりも長い。従って、入力電極30とグランド電極50との間の静電容量、及び入力電極32とグランド電極50との間の静電容量は、出力電極40とグランド電極50との間の静電容量よりも十分に小さい。従って、圧電トランス10は、降圧用の圧電トランスとして用いられる。
(圧電トランスの製造方法)
まず、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミック粉末を主成分とするスラリーを用い、ドクターブレード法により成型し、グリーンシートを得る。
まず、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミック粉末を主成分とするスラリーを用い、ドクターブレード法により成型し、グリーンシートを得る。
次に、グリーンシートの表面に、出力用内部電極441〜44n及びグランド用内部電極541〜54nとなる電極パターンをスクリーン印刷法等の手法を用いて形成する。そして、電極パターンが形成されたグリーンシートを複数枚積層した後、焼成する。焼成したグリーンシートを切断することにより圧電体20となるべき積層型圧電セラミックス焼結体を得る。
こうして得られた積層型圧電セラミックス焼結体の長手方向の両端面に、Au,Ag,Pd,Cu等からなるペーストを塗布した後、乾燥することにより、入力電極30,32を形成する。さらに、積層体の中央部、すなわち分極領域23〜25となるべき領域の表面に、Au,Ag,Pd,Cu等の金属及びこれらの合金から成るからなるペーストを塗布した後、乾燥することにより、出力用外部電極42及びグランド用外部電極52を形成する。このとき、出力用外部電極42と出力用内部電極441〜44nとが接続され、グランド用外部電極52とグランド用内部電極541〜54nとが接続される。
最後に、分極処理を行うことによって、分極領域21〜27を形成し、圧電体20を得ると共に、圧電トランス10が完成する。
(効果)
以上のように構成された圧電トランス10によれば、以下の理由により、不要な振動モードの発生を抑制することが可能である。なお、図4は、6次の振動モード及び7次の振動モードにおける各部位の変位を表した図である。図5は、6次の振動モードにおける各部位の変位を表した図である。図6は、8次の振動モードにおける各部位の変位を表した図である。図7は、7次の振動モード及び8次の振動モードにおける各部位の変位を表した図である。図8は、7次の振動モード及び9次の振動モードにおける各部位の変位を表した図である。ここで、6次〜9次の振動モードにおける各部位の変位の波形を、それぞれ波形W6,W7,W8,W9と称す。また、各波形の変位が揃っている点を基準点(位相=0°)として、波形W6,W7,W8において位相が180°となる腹の各頂点を、頂点x6,x7,x8する。
以上のように構成された圧電トランス10によれば、以下の理由により、不要な振動モードの発生を抑制することが可能である。なお、図4は、6次の振動モード及び7次の振動モードにおける各部位の変位を表した図である。図5は、6次の振動モードにおける各部位の変位を表した図である。図6は、8次の振動モードにおける各部位の変位を表した図である。図7は、7次の振動モード及び8次の振動モードにおける各部位の変位を表した図である。図8は、7次の振動モード及び9次の振動モードにおける各部位の変位を表した図である。ここで、6次〜9次の振動モードにおける各部位の変位の波形を、それぞれ波形W6,W7,W8,W9と称す。また、各波形の変位が揃っている点を基準点(位相=0°)として、波形W6,W7,W8において位相が180°となる腹の各頂点を、頂点x6,x7,x8する。
圧電トランス10では、図4に示すように、分極領域21と分極領域22の境界近傍において、頂点x7と頂点x6とは近接している。つまり、駆動部60において、類似の波形を有する振動モードが混在している。しかし、圧電トランス10では、波形W7は、図3に示すように、分極領域を1区間進む毎に位相が180°進む。一方、波形W6は、図5に示すように、分極領域を1区間進む毎に位相が約154°進む。その結果、圧電トランス10では、図4に示すように、分極領域が基準点から進むにつれて、波形W7と波形W6との位相差は広がる。最終的に、圧電体20におけるx軸正方向側の端部で、波形W6,W7は互いに逆位相になる。従って、圧電トランス10では、図4に示すように、駆動部60において類似であった波形W6,W7は、駆動部62において非類似になる。そこで、駆動部62において7次の振動モードに対応する交流電圧を印加して波形W7を発生させている。これにより、駆動部62において発生している波形W7に非類似な波形W6の発生が抑制される。以上の理由により、駆動部62において、7次の振動モードに対応する交流電圧を印加すると、6次の振動モードの発生が抑制される。つまり、圧電トランス10では、7次の振動モードを励振しようとした場合に、6次の振動モードが励振されることを抑制できる。
また、7次の振動モードと8次の振動モードを比較した場合にも上記と同様のことが言える。上述のとおり、圧電トランス10では、波形W7は、図3に示すように、分極領域を1区間進む毎に位相が180°進む。一方、波形W8は、図6に示すように、分極領域を1区間進む毎に位相が、約205°進む。その結果、分極領域が基準点から進むにつれて、図7に示すように、波形W7と波形W8との位相差は広がる。最終的には、圧電体20におけるx軸正方向側の端部で、波形W7,W8は互いに逆位相になる。従って、圧電トランス10では、図7に示すように、駆動部60において類似であった波形W7,W8は、駆動部62において非類似になる。そこで、駆動部62において7次の振動モードに対応する交流電圧を印加して波形W7を発生させている。これにより、駆動部62において発生している波形W7に非類似な波形W8の発生が抑制される。以上の理由により、駆動部62において、7次の振動モードに対応する交流電圧を印加すると、8次の振動モードの発生が抑制される。つまり、圧電トランス10では、7次の振動モードを励振しようとした場合に、8次の振動モードが励振されることを抑制できる。
以上より、圧電トランス10では、図3に示すように、複数の駆動部60,62を有し、これらが平面S1に関して対称に配置されているため、類似の不要な振動モードの発生を抑制することができる。また、圧電トランス10では、圧電体20の7等分された分極領域の半分以上にあたる4つの分極領域21,22,26,27が、駆動部60,62を構成することによって応力(変位)分布を強制的に拘束している。従って、圧電トランス10では、駆動部60,62における類似した不要な振動モードの発生を抑制する。
また、圧電トランス10では、図3に示すように、圧電体20の両端部に駆動部60,62が設けられている。そして、圧電体20におけるx軸方向の正方向側の端部は、図4及び図7に示すように、奇数次の振動モードの波形と偶数次の振動モードの波形とが逆位相となる位置である。従って、圧電トランス10では、高次の振動モードを励振しようとした場合でも、当該高次の振動モードと前後する次数の振動モードの発生を、より効果的に抑制することができる。
圧電トランス10では、7次の振動モードと異なる奇数次の振動モード(例えば、5次の振動モード及び9次の振動モード)の発生を抑制することができる。以下に、9次の振動モードを例に挙げて説明する。
図8に示すように、圧電トランス10の両端部では、7次の振動モードの波形W7の腹の頂点と9次の振動モードの波形W9の腹の頂点が一致する。すなわち、圧電トランス10の両端部(分極領域21と分極領域27)では、波形W7と波形W9とが類似する。ただし、分極領域21において波形W7と波形W9とが類似していても、分極領域を1区間進めば波形W7の位相と波形W9の位相とがずれるので、分極領域22において波形W7と波形W9とが非類似となる。同様に、分極領域27において波形W7と波形W9とが類似していても、分極領域を1区間進めば波形W7の位相と波形W9の位相とがずれるので、分極領域26において波形W7と波形W9とが非類似となる。そこで、圧電トランス10では、図3に示すように、駆動部60は、隣り合う2つの分極領域21,22により構成されている。また、駆動部62も、隣り合う2つの分極領域26,27により構成されている。そして、駆動部60の分極領域21及び駆動部62の分極領域26において7次の振動モードの交流電圧を印加して波形W7を発生させている。これにより、駆動部60の分極領域21及び駆動部62の分極領域26において発生している波形W7に非類似な波形W9の発生が抑制される。つまり、圧電トランス10では、所望の振動モードが奇数次である場合に、これと異なる奇数次の振動モードの発生を抑制することができる。また、所望の振動モードが偶数次である場合には、これと異なる偶数次の振動モードが発生することも抑制することができる。
また、圧電トランス10では、図1からわかるように、y軸及びz軸を含む平面と平行な断面における圧電体20の断面形状が、正方形である。これにより、圧電体20における、y軸方向の振動モードとz軸方向の振動モードとが同じになる。従って、圧電体20では、断面形状が長方形状の場合と比較して、振動モードの数が減少する。つまり、圧電トランス10では、不要な振動モードの発生がさらに抑制される。
圧電トランス10では、図3に示すように、入力電極30とグランド電極50との間に静電容量が形成されている。そして、入力電極30とグランド電極50との間には、複数の分極領域21,22が存在している。入力電極30とグランド電極50との間に複数の分極領域が存在するということは、その分極領域の数の増加に伴い、入力電極30とグランド電極50が遠ざかり、結果として、入力電極30とグランド電極50との間に形成される静電容量が小さくなっていく。つまり、圧電トランス10は、極めて小さい入力静電容量が求められる場合に対応している。なお、入力電極32とグランド電極50との間に形成られる静電容量も、上記と同様である。
さらに、圧電トランス10では、図3に示すように、分極領域の数が奇数である。分極領域の数が奇数である場合には、図3に示すように、分極方向が、平面S1に対して対象となる。これにより、圧電トランス10は、実装方向に依存する異方性を有さない。従って、圧電トランス10では、基板に実装する際に、実装方向を指定する必要がないため、実装方向の識別マークが不要となる。
(第1の変形例)
以下に、第1の変形例に係る圧電トランス10−1について図面を参照しながら説明する。図9は、第1の変形例に係る圧電トランス10−1の外観斜視図である。図9における各矢印は分極方向を示している。
以下に、第1の変形例に係る圧電トランス10−1について図面を参照しながら説明する。図9は、第1の変形例に係る圧電トランス10−1の外観斜視図である。図9における各矢印は分極方向を示している。
圧電トランス10と圧電トランス10−1との相違点は、出力電極40の位置及び形状、グランド電極50の位置及び形状、並びに分極領域23,25の分極方向である。その他の点については、圧電トランス10と圧電トランス10−1とでは相違しないので、説明を省略する。なお、圧電トランス10−1における出力電極を出力電極40−1とし、圧電トランス10−1におけるグランド電極をグランド電極50−1とする。さらに、圧電トランス10−1において分極領域23,25に相当する分極領域を、分極領域23−1,25−1と称す。なお、図9において、圧電トランス10と同じ構成については、圧電トランス10と同じ符号を付した。
分極領域23−1,25−1は、図9の矢印が示すように、x軸方向と平行な方向に分極されている。具体的には、分極領域23−1における分極方向23−1dは、x軸負方向側を向いている。分極領域25−1における分極方向25−1dは、x軸正方向側を向いている。
出力電極40−1は、図9に示すように、分極領域24に設けられている。出力用電極40における内部電極等の基本的な構成は、出力電極40と相違しないので、ここでは説明を省略する。
グランド電極50−1は、図9に示すように、分極領域24に設けられている。グランド電極50−1における内部電極等の基本的な構成は、グランド電極50と相違しないので、ここでは説明を省略する。
上記のように構成された圧電トランス10−1では、分極領域24が発電部70−1として機能する。また、分極領域21,22,23−1が駆動部60−1を構成し、分極領域25−1,26,27が駆動部62−1を構成している。つまり、圧電トランス10−1では、圧電体20−1において駆動部により占有される領域が、圧電トランス10の圧電体20と比較して大きい。従って、圧電トランス10−1では、圧電トランス10よりも大きな結合係数を得ることができる。
また、圧電トランス10−1では、入力電極30とグランド電極50−1との間に静電容量が形成されている。そして、入力電極30とグランド電極50−1との間には、図9に示すように、3つの分極領域21,22,23−1が存在する。この分極領域の数は、圧電トランス10において入力電極30とグランド電極50との間に存在する分極領域の数より多い。これにより、圧電トランス10−1における入力電極30とグランド電極50−1との距離は、圧電トランス10における入力電極30とグランド電極50との距離よりも長くなる。従って、圧電トランス10−1における入力電極30とグランド電極50−1との間に形成される静電容量は、圧電トランス10における入力電極30とグランド電極50との間に形成される静電容量よりも小さい。つまり、圧電トランス10−1は、圧電トランス10よりもさらに小さい入力静電容量が求められる場合に対応している。入力電極32とグランド電極50−1との間に形成られる静電容量も、上記と同様である。
(第2の変形例)
以下に、第2の変形例に係る圧電トランス10−2について図面を参照しながら説明する。図10は、第2の変形例に係る圧電トランス10−2の外観斜視図であり、各部位での分極方向及び変位を表した図である。図10における各矢印は分極方向を示している。なお、圧電トランス10−2において圧電トランス10と同様の構成については、説明を省略する。
以下に、第2の変形例に係る圧電トランス10−2について図面を参照しながら説明する。図10は、第2の変形例に係る圧電トランス10−2の外観斜視図であり、各部位での分極方向及び変位を表した図である。図10における各矢印は分極方向を示している。なお、圧電トランス10−2において圧電トランス10と同様の構成については、説明を省略する。
圧電トランス10−2における圧電体20−2は、図10に示すように、x軸方向に沿って、7つの領域に等分されている。圧電体20−2における各領域を、分極領域21−2〜23−2,領域24−2及び分極領域25−2〜27−2と称し、これらはこの順に、x軸負方向側からx軸正方向側に向かって並んでいる。
分極領域21−2,27−2は、図10の矢印が示すように、z軸方向と平行な方向に分極されている。具体的には、分極領域21−2における分極方向21−2d、及び分極領域27−2における分極方向27−2dは共に、z軸正方向側を向いている。
分極領域22−2,23−2,25−2,26−2は、図10の矢印が示すように、x軸方向と平行な方向に分極されている。また、隣り合う分極領域の分極方向は逆向きである。具体的には、分極領域22−2における分極方向22−2dは、x軸負方向側を向いており、分極領域23−2における分極方向23−2dは、x軸正方向側を向いている。さらに、分極領域25−2における分極方向25−2dは、x軸負方向側を向いており、分極領域26−2における分極方向26−2dは、x軸正方向側を向いている。
領域24−2は、圧電トランス10における分極領域24と異なり、分極されていない。
圧電トランス10−2における入力電極30−2は、図10に示すように、矩形状の平板であり、領域24−2におけるz軸正方向側の面及び負方向側の面を覆うように設けられている。
圧電トランス10−2における出力電極は、分極領域21−2,27−2の2箇所に設けられている。分極領域21−2におけるz軸正方向側の面を覆うように設けられている出力電極を出力電極40−2aとし、分極領域27−2におけるz軸正方向側の面を覆うように設けられている出力電極を出力電極40−2bとする。出力電極40−2a,40−2bにおける出力用外部電極や出力用内部電極等の基本的な構成は、出力電極40と相違しないので、ここでは説明を省略する。
圧電トランス10−2におけるグランド電極は、分極領域21−2,27−2の2箇所に設けられている。分極領域21−2におけるz軸負方向側の面を覆うように設けられているグランド電極をグランド電極50−2aとし、分極領域27−2におけるz軸負方向側の面を覆うように設けられているグランド電極をグランド電極50−2bとする。グランド電極50−2a,50−2bにおけるグランド用外部電極やグランド用内部電極等の基本的な構成は、グランド電極50と相違しないので、ここでは説明を省略する。
以上のように構成された圧電トランス10−2では、入力電極30−2とグランド電極50−2aとに挟まれる区間、すなわち分極領域22−2,23−2が駆動部として機能する。また、入力電極30−2とグランド電極50−2bとに挟まれる区間、すなわち分極領域25−2,26−2が駆動部として機能する。さらに、圧電トランス10−2では、分極領域21−2,27−2が発電部として機能する。
圧電トランス10−2では、図10に示すように、入力電極30−2,出力電極40−2a,40−2b、及びグランド電極50−2a,50−2bが、圧電体20−2におけるz軸正方向側の面及びz軸負方向側の面に設けられている。そして、入力電極30−2,出力電極40−2a,40−2b、及びグランド電極50−2a,50−2bのx軸方向の中央部はそれぞれ、波形W7の節に位置しているので、振動しにくい。従って、圧電トランス10−2では、図10に示すように、各電極のx軸方向の中央部で、交流電源や各種電子部品と接続するためのリード線c1〜c6と接合することより、圧電体20−2で生ずる振動によって、リード線と各電極との接合箇所が破損することを防止できる。
(第3の変形例)
以下に、第3の変形例に係る圧電トランス10−3について図面を参照しながら説明する。図11は、第3の変形例に係る圧電トランス10−3の外観斜視図であり、各部位での分極方向を表した図である。図11における各矢印は分極方向を示している。なお、圧電トランス10−3において圧電トランス10と同様の構成については、説明を省略する。
以下に、第3の変形例に係る圧電トランス10−3について図面を参照しながら説明する。図11は、第3の変形例に係る圧電トランス10−3の外観斜視図であり、各部位での分極方向を表した図である。図11における各矢印は分極方向を示している。なお、圧電トランス10−3において圧電トランス10と同様の構成については、説明を省略する。
圧電トランス10−3における圧電体20−3は、図11に示すように、x軸方向に沿って、7つの分極領域に等分されている。圧電体20−3における各分極領域を、分極領域21−3〜27−3と称し、これらはこの順に、x軸負方向側からx軸正方向側に向かって並んでいる。
分極領域21−3,24−3,27−3は、図11の矢印が示すように、z軸方向と平行な方向に分極されている。具体的には、分極領域21−3における分極方向21−3dは、z軸正方向側に向いている。分極領域24−3における分極方向24−3dは、z軸負方向側を向いている。分極領域27−3における分極方向27−3dは、z軸正方向側を向いている。
分極領域22−3,23−3,25−3,26−3は、図11の矢印が示すように、x軸方向と平行な方向に分極されている。また、隣り合う分極領域の分極方向は逆向きである。具体的には、分極領域22−3における分極方向22−3dは、x軸負方向側を向いており、分極領域23−3における分極方向23−3dは、x軸正方向側を向いている。さらに、分極領域25−3における分極方向25−3dは、x軸負方向側を向いており、分極領域26−3における分極方向26−3dは、x軸正方向側を向いている。
圧電トランス10−3における入力電極は、図11に示すように、分極領域22−3,23−3の境界に設けられている入力電極30−3、及び分極領域25−3,26−3の境界に設けられている入力電極32−3により構成されている。入力電極30−3,32−3は、x軸方向に直交する平面に平行な正方形状の平板である。
圧電トランス10−3における出力電極は、図11に示すように、分極領域21−3,24−3,27−3に設けられている。分極領域21−3におけるz軸正方向側の面を覆うように設けられている出力電極を出力電極40−3aとし、分極領域24−3におけるz軸正方向側の面を覆うように設けられている出力電極を出力電極40−3bとする。さらに、分極領域27−3におけるz軸正方向側の面を覆うように設けられている出力電極を出力電極40−3cとする。出力電極40−3a,40−3b,40−3cにおける出力用外部電極や出力用内部電極等の基本的な構成は、出力電極40と相違しないので、ここでは説明を省略する。
グランド電極50−3は、図11に示すように、分極領域21−3,24−3,27−3に設けられている。分極領域21−3におけるz軸負方向側の面を覆うように設けられているグランド電極をグランド電極50−3aとし、分極領域24−3におけるz軸負方向側の面を覆うように設けられているグランド電極をグランド電極50−3bとする。さらに、分極領域27−3におけるz軸負方向側の面を覆うように設けられているグランド電極をグランド電極50−3cとする。グランド電極50−3a,50−3b,50−3cにおけるグランド用外部電極やグランド用内部電極等の基本的な構成は、グランド電極50と相違しないので、ここでは説明を省略する。
ここで、圧電トランス10−3では、分極領域22−3,23−3が駆動部60−3を構成し、分極領域25−3,26−3が駆動部62−3を構成している。さらに、分極領域21−3,24−3,27−3が発電部70−3を構成している。
以上のように構成された圧電トランス10−3では、以下の理由により、圧電トランス10と比較して、大きな入力静電容量を得ることができる。
圧電トランス10−3では、入力電極30−3からグランド電極50−3aとの間で静電容量が形成されている。入力電極30−3とグランド電極50−3aとの距離は、圧電トランス10における入力電極30とグランド電極50との距離の半分である。つまり、入力電極30−3からグランド電極50−3aとの間で形成されている静電容量は、圧電トランス10における入力電極30とグランド電極50との間で形成されている静電容量の2倍である。さらに、圧電トランス10−3では、入力電極30−3からグランド電極50−3bとの間で静電容量が形成されている。入力電極30−3とグランド電極50−3bとの距離は、圧電トランス10における入力電極30とグランド電極50との距離の半分である。つまり、入力電極30−3からグランド電極50−3bとの間で形成されている静電容量は、圧電トランス10における入力電極30とグランド電極50との間で形成されている静電容量の2倍である。
以上より、圧電トランス10−3における駆動部60−3で生ずる静電容量は、圧電トランス10における駆動部60での静電容量の4倍である。また、駆動部62−3で生ずる静電容量についても同様である。従って、圧電トランス10−3では、圧電トランス10と比較して、大きな入力静電容量を得ることができる。
(その他の実施形態)
本発明に係る圧電トランスは、圧電トランス10及びその変形例である圧電トランス10−1,10−2,10−3に限らず、その要旨の範囲内において変更可能である。例えば、圧電トランス10における入力電極と出力電極を入れ替えて、圧電トランス10を昇圧用トランスとしてもよい。また、7次の振動モードよりも高次の振動に対応した圧電トランスとしてもよい。さらに、圧電体20の積層方向は、x軸方向やy軸方向と平行であってもよい。
本発明に係る圧電トランスは、圧電トランス10及びその変形例である圧電トランス10−1,10−2,10−3に限らず、その要旨の範囲内において変更可能である。例えば、圧電トランス10における入力電極と出力電極を入れ替えて、圧電トランス10を昇圧用トランスとしてもよい。また、7次の振動モードよりも高次の振動に対応した圧電トランスとしてもよい。さらに、圧電体20の積層方向は、x軸方向やy軸方向と平行であってもよい。
以上のように、本発明は、非接触電力伝送などに用いられる圧電トランスに有用であり、特に、不要な振動モードの発生を抑制することを可能とする点において優れている。
10,10−1,10−2,10−3 圧電トランス
20,20−1,20−2,20−3 圧電体
21〜27,23−1,25−1,21−2〜23−2,25−2〜27−2,21−3〜27−3 分極領域
30,32,30−2,30−3,32−3 入力電極
40,40−1,40−2a,40−2b,40−3a,40−3b,40−3c 出力電極
60,60−1,60−3,62,62−1,62−3 駆動部
70,70−1,70−3 発電部
20,20−1,20−2,20−3 圧電体
21〜27,23−1,25−1,21−2〜23−2,25−2〜27−2,21−3〜27−3 分極領域
30,32,30−2,30−3,32−3 入力電極
40,40−1,40−2a,40−2b,40−3a,40−3b,40−3c 出力電極
60,60−1,60−3,62,62−1,62−3 駆動部
70,70−1,70−3 発電部
Claims (9)
- 7次以上の振動モードを利用する圧電トランスであって、
長さ方向に等分された複数の分極領域を有する圧電体であって、該複数の分極領域における第1の分極領域により構成される複数の駆動部、及び該複数の分極領域における第2の分極領域により構成される発電部が設けられた圧電体と、
前記複数の駆動部のそれぞれに電圧を印加する入力電極と、
前記発電部で発生した電圧が出力される出力電極と、
を備えており、
前記複数の駆動部及び前記発電部は、前記圧電体の前記長さ方向に並んでおり、
前記複数の駆動部は、前記圧電体の前記長さ方向の中心を通過し該長さ方向と直交する平面に関して離間して対称に配置され、かつ、前記圧電体における半分以上の領域を占めており、
前記複数の駆動部のそれぞれは、隣り合う2つ以上の分極領域により構成され、
前記複数の駆動部において励振される前記振動モードの波形は、前記複数の分極領域を1区間進む毎に位相が180°進むこと、
を特徴とする圧電トランス。 - 前記第1の分極領域の分極方向は、前記長さ方向であり、
前記駆動部内において隣り合う分極領域の分極方向は、逆向きであること、
を特徴とする請求項1に記載の圧電トランス。 - 前記第2の分極領域の分極方向は、前記長さ方向に直交する方向であり、
前記発電部内において隣り合う分極領域の分極方向は、逆向きであること、
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の圧電トランス。 - グランド電極をさらに備え、
前記入力電極と前記グランド電極との間には、複数の分極領域が存在すること、
を特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の圧電トランス。 - 前記圧電体の前記長さ方向に直交する断面における該圧電体の断面は、正方形状を成していること、
を特徴とする請求項1乃至請求4のいずれかに記載の圧電トランス。 - 前記複数の分極領域の数は、奇数であること、
を特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の圧電トランス。 - 前記入力電極が、前記圧電体の前記長さ方向における両端面に設けられていること、
を特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の圧電トランス。 - 前記入力電極が、前記圧電体の前記長さ方向における中央に設けられていること、
を特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の圧電トランス。 - 前記圧電体の前記長さ方向における中央に分極されていない領域が存在し、
前記入力電極が、前記圧電体において前記分極されていない領域に設けられていること、
を特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の圧電トランス。
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