JP6183243B2 - Power transmission system, power receiving device, and power transmitting device - Google Patents

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Description

本発明は、磁界結合方式により送電装置から受電装置へ電力を伝送する電力伝送システム、並びに、その電力伝送システムが備える受電装置及び送電装置に関する。   The present invention relates to a power transmission system that transmits power from a power transmission device to a power reception device by a magnetic field coupling method, and a power reception device and a power transmission device included in the power transmission system.

特許文献１には、磁界結合を利用して、送電装置から受電装置へワイヤレスで電力伝送する電力伝送システムが開示されている。特許文献１に記載の電力伝送システムは、受電装置側のコイルの受電可能な範囲を広くすることで、電力伝送の効率低下を抑制しながらも、電子機器への電力伝送の確実性を高めることができる。   Patent Document 1 discloses a power transmission system that wirelessly transmits power from a power transmission device to a power reception device using magnetic field coupling. The power transmission system described in Patent Document 1 increases the reliability of power transmission to an electronic device while suppressing a decrease in efficiency of power transmission by widening the power receiving range of the coil on the power receiving device side. Can do.

特開２０１３−２２５９６１号公報JP 2013-225961 A

ところで、磁界結合方式の電力伝送システムにおいて大電力を伝送する場合、電流を大きくすると、導体損失が大きくなる。一方で、電圧を高くすると、送電装置には昇圧用巻線トランス、受電装置には降圧用巻線トランスが必要となり、装置が大型化する。   By the way, when transmitting a large amount of power in a magnetic field coupling type power transmission system, if the current is increased, the conductor loss increases. On the other hand, when the voltage is increased, a step-up winding transformer is required for the power transmission device, and a step-down winding transformer is required for the power receiving device, which increases the size of the device.

そこで、本発明の目的は、導体損失及び装置の大型化を抑制して、大電力の電力伝送が可能な電力伝送システム、受電装置、及び送電装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a power transmission system, a power receiving device, and a power transmitting device capable of transmitting a large amount of power while suppressing conductor loss and an increase in size of the device.

本発明は、送電装置が備える送電側コイルと、受電装置が備える受電側コイルとが磁界結合することで、送電装置から受電装置へ電力を伝送する電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、直流電源から出力された直流電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路と、前記インバータ回路で変換された交流電圧を昇圧して前記送電側コイルへ印加する昇圧トランスと、前記送電側コイルを含む送電側第１共振回路と、を備え、前記受電装置は、前記受電側コイルに誘起された電圧を降圧する降圧トランスと、前記降圧トランスにより降圧された電圧を整流平滑し、負荷へ供給する整流平滑回路と、前記受電側コイルを含む受電側第１共振回路と、を備え、前記昇圧トランス又は前記降圧トランスの少なくとも一方は圧電トランスであり、前記昇圧トランスが圧電トランスである場合には、前記送電側第１共振回路は、前記圧電トランスの共振周波数と実質的に同じに設定され、前記降圧トランスが圧電トランスである場合には、前記受電側第１共振回路は、前記圧電トランスの共振周波数と実質的に同じに設定され、前記送電装置は、前記共振周波数で前記インバータ回路を駆動する制御回路を備え、前記昇圧トランスが圧電トランスである場合には、前記送電側第１共振回路は前記圧電トランスの容量成分を含み、前記降圧トランスが圧電トランスである場合には、前記受電側第１共振回路は前記圧電トランスの容量成分を含む、ことを特徴とする。   The present invention provides a power transmission system that transmits power from a power transmission device to a power reception device by magnetically coupling a power transmission side coil included in the power transmission device and a power reception side coil included in the power reception device. An inverter circuit that converts the DC voltage output from the inverter into an AC voltage, a step-up transformer that boosts the AC voltage converted by the inverter circuit and applies the boosted voltage to the power transmission side coil, and a power transmission side first including the power transmission side coil. A resonance circuit, and the power receiving device includes a step-down transformer that steps down the voltage induced in the power receiving side coil, a rectifying and smoothing circuit that rectifies and smoothes the voltage stepped down by the step-down transformer, and supplies the voltage to a load; A power-receiving-side first resonance circuit including the power-receiving-side coil, and at least one of the step-up transformer or the step-down transformer is a piezoelectric transformer, When the pressure transformer is a piezoelectric transformer, the power transmission side first resonance circuit is set to be substantially the same as the resonance frequency of the piezoelectric transformer, and when the step-down transformer is a piezoelectric transformer, the power receiving side The first resonance circuit is set to be substantially the same as the resonance frequency of the piezoelectric transformer, the power transmission device includes a control circuit that drives the inverter circuit at the resonance frequency, and the step-up transformer is a piezoelectric transformer. The power transmission side first resonance circuit includes a capacitance component of the piezoelectric transformer, and when the step-down transformer is a piezoelectric transformer, the power reception side first resonance circuit includes a capacitance component of the piezoelectric transformer. It is characterized by.

この構成によると、大電流が流れることによる導体損失を抑制するために、電圧を高くして電力伝送する場合に必要となる昇圧トランス又は降圧トランスに、圧電トランスを用いるため、導体損失及び装置の大型化を抑制して、大電力の電力伝送が可能となる。   According to this configuration, in order to suppress the conductor loss due to the flow of a large current, a piezoelectric transformer is used for the step-up transformer or the step-down transformer that is required when power is transmitted at a high voltage. Large power can be transmitted while suppressing an increase in size.

前記降圧トランスが圧電トランスであり、前記受電側第１共振回路は、前記圧電トランスの入力容量成分と、前記受電側コイルとで構成され、前記受電装置は、前記圧電トランスと前記整流平滑回路との間に接続された受電側インダクタと、前記受電側インダクタと、前記圧電トランスの出力容量成分とで構成され、前記受電側第１共振回路と共振周波数が実質的に同じ受電側第２共振回路とを備えることが好ましい。   The step-down transformer is a piezoelectric transformer, the power-receiving-side first resonance circuit includes an input capacitance component of the piezoelectric transformer and the power-receiving-side coil, and the power receiving device includes the piezoelectric transformer, the rectifying and smoothing circuit, and A power-receiving-side inductor connected between the power-receiving-side inductor, the power-receiving-side inductor, and an output capacitance component of the piezoelectric transformer, and a power-receiving-side second resonance circuit having substantially the same resonance frequency as the power-receiving-side first resonance circuit. It is preferable to comprise.

この構成では、圧電トランスの出力容量成分と受電側インダクタとで共振回路を構成し、その共振回路の共振周波数を、送電装置の駆動周波数に合わせることで、圧電トランスの出力容量成分による損失を抑制できる。その結果、高い伝送効率で電力伝送できる。   In this configuration, a resonance circuit is configured with the output capacitance component of the piezoelectric transformer and the power receiving side inductor, and the loss due to the output capacitance component of the piezoelectric transformer is suppressed by matching the resonance frequency of the resonance circuit with the drive frequency of the power transmission device. it can. As a result, power can be transmitted with high transmission efficiency.

前記昇圧トランスが圧電トランスであり、前記送電側第１共振回路は、前記圧電トランスの出力容量成分と、前記送電側コイルとで構成され、前記送電装置は、前記インバータ回路と前記圧電トランスとの間に接続された送電側インダクタと、前記送電側インダクタと、前記圧電トランスの入力容量成分とで構成され、前記送電側第１共振回路と共振周波数が実質的に同じ送電側第２共振回路とを備えることが好ましい。   The step-up transformer is a piezoelectric transformer, the power transmission-side first resonance circuit is composed of an output capacitance component of the piezoelectric transformer and the power transmission-side coil, and the power transmission device includes the inverter circuit and the piezoelectric transformer. A power transmission side inductor connected between them, the power transmission side inductor, and an input capacitance component of the piezoelectric transformer, and a power transmission side second resonance circuit having substantially the same resonance frequency as the power transmission side first resonance circuit; It is preferable to provide.

この構成では、圧電トランスの入力容量成分と送電側インダクタとで共振回路を構成し、その共振回路の共振周波数を、送電装置の駆動周波数に合わせることで、圧電トランスの入力容量成分による損失を抑制できる。その結果、高い伝送効率で電力伝送できる。   In this configuration, a resonance circuit is configured with the input capacitance component of the piezoelectric transformer and the power transmission-side inductor, and the resonance frequency of the resonance circuit is matched to the drive frequency of the power transmission device to suppress loss due to the input capacitance component of the piezoelectric transformer. it can. As a result, power can be transmitted with high transmission efficiency.

本発明によれば、大電流が流れることによる導体損失を抑制するために、電圧を高くして電力伝送する場合に必要となる昇圧トランス又は降圧トランスに、圧電トランスを用いるため、導体損失及び装置の大型化を抑制して、大電力の電力伝送が可能となる。   According to the present invention, since a piezoelectric transformer is used as a step-up transformer or a step-down transformer that is required when power is transmitted at a high voltage in order to suppress a conductor loss due to a large current flowing, a conductor loss and a device are reduced. Therefore, large power transmission is possible.

実施形態１に係る電力伝送システムの回路図Circuit diagram of power transmission system according to Embodiment 1 電力伝送システムが備える送電装置の等価回路図Equivalent circuit diagram of power transmission equipment provided in power transmission system 電力伝送システムが備える受電装置の等価回路図Equivalent circuit diagram of power receiving device provided in power transmission system 圧電トランスの構造を説明するための斜視図Perspective view for explaining the structure of a piezoelectric transformer 実施形態２に係る電力伝送システムの回路図Circuit diagram of power transmission system according to Embodiment 2 図５に示す受電装置の等価回路図Equivalent circuit diagram of the power receiving device shown in FIG. 実施形態３に係る電力伝送システムの回路図Circuit diagram of power transmission system according to Embodiment 3 実施形態４に係る電力伝送システムの回路図Circuit diagram of power transmission system according to Embodiment 4

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る電力伝送システム１の回路図である。図２は、電力伝送システム１が備える送電装置１０１の等価回路図である。図３は、電力伝送システム１が備える受電装置２０１の等価回路図である。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram of a power transmission system 1 according to the first embodiment. FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the power transmission device 101 included in the power transmission system 1. FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the power receiving device 201 included in the power transmission system 1.

電力伝送システム１は送電装置１０１と受電装置２０１とで構成されている。受電装置２０１は負荷回路ＲＬを備えている。この負荷回路ＲＬは充電回路及び二次電池を含む。そして、受電装置２０１は、その二次電池を備えた、例えば携帯電子機器である。携帯電子機器としては携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。送電装置１０１は、載置された受電装置２０１の二次電池を充電するための充電台である。   The power transmission system 1 includes a power transmission device 101 and a power reception device 201. The power receiving apparatus 201 includes a load circuit RL. The load circuit RL includes a charging circuit and a secondary battery. And the power receiving apparatus 201 is a portable electronic device provided with the secondary battery, for example. Examples of the portable electronic device include a mobile phone, a PDA (Personal Digital Assistant), a portable music player, a notebook PC, and a digital camera. The power transmission device 101 is a charging stand for charging the secondary battery of the power receiving device 201 placed thereon.

送電装置１０１は、直流電圧を出力する直流電源１１を備えている。直流電源１１は商用電源に接続されるＡＣアダプタである。   The power transmission apparatus 101 includes a DC power supply 11 that outputs a DC voltage. The DC power source 11 is an AC adapter connected to a commercial power source.

直流電源１１にはインバータ回路１２が接続されている。インバータ回路１２は、ＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を備えている。インバータ回路１２では、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２が直列接続され、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４が直列接続されている。このインバータ回路１２は、制御回路１３によりスイッチング制御される。   An inverter circuit 12 is connected to the DC power supply 11. The inverter circuit 12 includes MOS-FET switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4. In the inverter circuit 12, switch elements Q1 and Q2 are connected in series, and switch elements Q3 and Q4 are connected in series. The inverter circuit 12 is switching-controlled by the control circuit 13.

制御回路１３は、所定の駆動周波数でインバータ回路１２を駆動制御する。詳しくは、制御回路１３は、各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のゲートへＰＷＭ信号を出力し、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３とを交互にオンオフする。これにより、インバータ回路１２は直流電圧を交流電圧に変換する。   The control circuit 13 controls the drive of the inverter circuit 12 at a predetermined drive frequency. Specifically, the control circuit 13 outputs a PWM signal to the gates of the switch elements Q1 to Q4, and alternately turns on and off the switch elements Q1 and Q4 and the switch elements Q2 and Q3. Thereby, the inverter circuit 12 converts a DC voltage into an AC voltage.

送電装置１０１は圧電トランス１４を備えている。圧電トランス１４は、第１電極Ｅ１１、第２電極Ｅ１２，第３電極Ｅ１３、及び第４電極Ｅ１４を備えている。第１電極Ｅ１１は、インバータ回路１２のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に接続されている。第２電極Ｅ１２は、インバータ回路１２のスイッチ素子Ｑ３，Ｑ４の接続点に接続されている。また、第３電極Ｅ１３及び第４電極Ｅ１４は、送電側コイル１５に接続されている。圧電トランス１４は、第１電極Ｅ１１及び第２電極Ｅ１２から入力される電圧を昇圧し、第３電極Ｅ１３及び第４電極Ｅ１４から送電側コイル１５へ出力する。すなわち、圧電トランス１４は、インバータ回路１２から出力された交流電圧を昇圧し、送電側コイル１５へ印加する昇圧トランスである。   The power transmission device 101 includes a piezoelectric transformer 14. The piezoelectric transformer 14 includes a first electrode E11, a second electrode E12, a third electrode E13, and a fourth electrode E14. The first electrode E11 is connected to the connection point of the switch elements Q1, Q2 of the inverter circuit 12. The second electrode E12 is connected to the connection point of the switch elements Q3, Q4 of the inverter circuit 12. The third electrode E13 and the fourth electrode E14 are connected to the power transmission side coil 15. The piezoelectric transformer 14 boosts the voltage input from the first electrode E11 and the second electrode E12, and outputs the boosted voltage from the third electrode E13 and the fourth electrode E14 to the power transmission side coil 15. That is, the piezoelectric transformer 14 is a step-up transformer that boosts the AC voltage output from the inverter circuit 12 and applies the boosted voltage to the power transmission side coil 15.

昇圧に圧電トランス１４を用いることで、巻線トランスを用いる場合と比べ、送電装置１０１の小型化、薄型化が可能である。また、送電側コイル１５へ印加する電圧を圧電トランス１４により昇圧することで、送電装置１０１から受電装置２０１へ大電力を伝送するために必要な電流量は小さくなる。このため、導体損失を抑制でき、また、送電側コイル１５の線幅又は線径を小さくできる。   By using the piezoelectric transformer 14 for boosting, the power transmission device 101 can be reduced in size and thickness as compared with the case where a winding transformer is used. Further, by boosting the voltage applied to the power transmission side coil 15 by the piezoelectric transformer 14, the amount of current necessary for transmitting large power from the power transmission apparatus 101 to the power reception apparatus 201 is reduced. For this reason, a conductor loss can be suppressed and the line | wire width or wire diameter of the power transmission side coil 15 can be made small.

圧電トランス１４は、図２に示すように、キャパシタＣ１１，Ｃ１２、キャパシタＣｐ１、インダクタＬｐ１及び抵抗Ｒｐ１等で表される。キャパシタＣ１１は圧電トランス１４の等価入力容量であり、キャパシタＣ１２は圧電トランス１４の等価出力容量である。また、キャパシタＣｐ１及びインダクタＬｐ１は電気機械的なパラメータである。各キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃｐ１は、各電極Ｅ１１〜Ｅ１４の間に生じる容量などである。   As shown in FIG. 2, the piezoelectric transformer 14 is represented by capacitors C11 and C12, a capacitor Cp1, an inductor Lp1, a resistor Rp1, and the like. The capacitor C11 is an equivalent input capacity of the piezoelectric transformer 14, and the capacitor C12 is an equivalent output capacity of the piezoelectric transformer 14. The capacitor Cp1 and the inductor Lp1 are electromechanical parameters. Each capacitor C11, C12, Cp1 is a capacitance generated between the electrodes E11 to E14.

圧電トランス１４の共振周波数は主にキャパシタＣｐ１とインダクタＬｐ１による直列共振回路１４１の共振で定まる。電気エネルギー変換は弾性振動を介するため、圧電体セラミックスの弾性波伝搬速度と寸法で決まる固有共振周波数を有する。   The resonance frequency of the piezoelectric transformer 14 is determined mainly by the resonance of the series resonance circuit 141 by the capacitor Cp1 and the inductor Lp1. Since electrical energy conversion is via elastic vibration, it has a natural resonance frequency determined by the elastic wave propagation velocity and dimensions of the piezoelectric ceramic.

インバータ回路１２のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点と、圧電トランス１４の第１電極Ｅ１１との間には、インダクタＬ１が接続されている。インダクタＬ１は、本発明に係る「送電側インダクタ」の一例である。このインダクタＬ１はフィルタインダクタであり、インバータ回路１２から出力される矩形波の高調波成分を抑制して正弦波とし、圧電トランス１４へ入力する。圧電トランス１４に矩形波が入力されると、高調波成分の影響で、圧電トランス１４が発熱するおそれがあるが、インダクタＬ１を設けたことにより、正弦波が圧電トランス１４へ入力され、圧電トランス１４の発熱は抑制される。   An inductor L1 is connected between the connection point of the switching elements Q1 and Q2 of the inverter circuit 12 and the first electrode E11 of the piezoelectric transformer 14. The inductor L1 is an example embodiment that corresponds to the “power transmission side inductor” according to the present invention. The inductor L1 is a filter inductor, which suppresses the harmonic component of the rectangular wave output from the inverter circuit 12 to be a sine wave and inputs it to the piezoelectric transformer 14. When a rectangular wave is input to the piezoelectric transformer 14, the piezoelectric transformer 14 may generate heat due to the influence of harmonic components. However, by providing the inductor L1, a sine wave is input to the piezoelectric transformer 14, and the piezoelectric transformer. The heat generation of 14 is suppressed.

圧電トランス１４の等価入力容量であるキャパシタＣ１１は、このインダクタＬ１と共に直列共振回路１４２を構成する。この直列共振回路１４２は、共振周波数が直列共振回路１４１と実質的に同じとなるよう回路定数が設定されている。直列共振回路１４２は、本発明に係る「送電側第２共振回路」の一例である。   A capacitor C11, which is an equivalent input capacitance of the piezoelectric transformer 14, constitutes a series resonance circuit 142 together with the inductor L1. The series resonance circuit 142 has a circuit constant set so that the resonance frequency is substantially the same as that of the series resonance circuit 141. The series resonance circuit 142 is an example embodiment that corresponds to the “power transmission side second resonance circuit” according to the present invention.

また、圧電トランス１４の等価出力容量であるキャパシタＣ１２は、送電側コイル１５と共に並列共振回路１４３を構成する。並列共振回路１４３も、共振周波数が直列共振回路１４１と実質的に同じとなるよう回路定数が設定されている。すなわち、直列共振回路１４１，１４２と、並列共振回路１４３とは共振周波数が実質的に同じである。並列共振回路１４３は、本発明に係る「送電側第１共振回路」の一例である。   The capacitor C12, which is an equivalent output capacity of the piezoelectric transformer 14, forms a parallel resonant circuit 143 together with the power transmission side coil 15. The circuit constants of the parallel resonance circuit 143 are also set so that the resonance frequency is substantially the same as that of the series resonance circuit 141. In other words, the series resonant circuits 141 and 142 and the parallel resonant circuit 143 have substantially the same resonant frequency. The parallel resonance circuit 143 is an example embodiment that corresponds to the “power transmission side first resonance circuit” according to the present invention.

制御回路１３は、直列共振回路１４１，１４２及び並列共振回路１４３の共振周波数と実質的に同じ周波数を駆動周波数として、インバータ回路１２をＰＷＭ制御する。   The control circuit 13 performs PWM control of the inverter circuit 12 using a drive frequency that is substantially the same as the resonance frequency of the series resonance circuits 141 and 142 and the parallel resonance circuit 143.

受電装置２０１は受電側コイル２５を備えている。受電装置２０１を送電装置１０１に載置又は近接させた場合、受電側コイル２５は、送電側コイル１５と近接する。そして、送電装置１０１の送電側コイル１５に電圧が印加されることで、送電側コイル１５と受電側コイル２５とは磁界結合し、この結合を介して送電装置１０１から受電装置２０１へ電力が伝送される。   The power receiving device 201 includes a power receiving side coil 25. When the power receiving device 201 is placed on or close to the power transmitting device 101, the power receiving side coil 25 is close to the power transmitting side coil 15. Then, when a voltage is applied to the power transmission side coil 15 of the power transmission device 101, the power transmission side coil 15 and the power reception side coil 25 are magnetically coupled, and power is transmitted from the power transmission device 101 to the power reception device 201 via this coupling. Is done.

受電装置２０１は圧電トランス２４を備えている。圧電トランス２４は、第１電極Ｅ２１、第２電極Ｅ２２、第３電極Ｅ２３、及び第４電極Ｅ２４を備えている。第１電極Ｅ２１及び第２電極Ｅ２２は、整流平滑回路２３に接続されている。第３電極Ｅ２３及び第４電極Ｅ２４は、受電側コイル２５に接続されている。磁界結合により受電側コイル２５に誘起された電圧が第３電極Ｅ２３及び第４電極Ｅ２４に入力されると、圧電トランス２４は、その電圧を降圧し、第１電極Ｅ２１及び第２電極Ｅ２２から出力する。   The power receiving device 201 includes a piezoelectric transformer 24. The piezoelectric transformer 24 includes a first electrode E21, a second electrode E22, a third electrode E23, and a fourth electrode E24. The first electrode E21 and the second electrode E22 are connected to the rectifying and smoothing circuit 23. The third electrode E23 and the fourth electrode E24 are connected to the power receiving side coil 25. When the voltage induced in the power receiving side coil 25 by the magnetic field coupling is input to the third electrode E23 and the fourth electrode E24, the piezoelectric transformer 24 steps down the voltage and outputs it from the first electrode E21 and the second electrode E22. To do.

降圧に圧電トランス２４を用いることで、巻線コイルを用いる場合と比べ、受電装置２０１の小型化、薄型化が可能である。また、前記のように、送電装置１０１から受電装置２０１へ大電力を伝送するために、送電装置１０１から大電流が伝送されることがなく、導体損失を抑制でき、また、大電流が流れないことから受電側コイル２５の線幅又は線径を小さくできる。   By using the piezoelectric transformer 24 for step-down, the power receiving apparatus 201 can be made smaller and thinner than when a winding coil is used. Further, as described above, in order to transmit large power from the power transmitting apparatus 101 to the power receiving apparatus 201, no large current is transmitted from the power transmitting apparatus 101, conductor loss can be suppressed, and no large current flows. Therefore, the line width or wire diameter of the power receiving side coil 25 can be reduced.

圧電トランス２４は、図３に示すように、キャパシタＣ２１，Ｃ２２、キャパシタＣｐ２、インダクタＬｐ２及び抵抗Ｒｐ２等で表される。キャパシタＣ２１は圧電トランス２４の等価入力容量であり、キャパシタＣ２２は圧電トランス２４の等価出力容量である。また、キャパシタＣｐ２及びインダクタＬｐ２は電気機械的なパラメータである。各キャパシタＣ２１，Ｃ２２，Ｃｐ２は、各電極Ｅ２１〜Ｅ２４の間に生じる容量などである。   As shown in FIG. 3, the piezoelectric transformer 24 is represented by capacitors C21 and C22, a capacitor Cp2, an inductor Lp2, a resistor Rp2, and the like. The capacitor C21 is an equivalent input capacity of the piezoelectric transformer 24, and the capacitor C22 is an equivalent output capacity of the piezoelectric transformer 24. The capacitor Cp2 and the inductor Lp2 are electromechanical parameters. Each of the capacitors C21, C22, Cp2 is a capacitance generated between the electrodes E21 to E24.

圧電トランス２４の共振周波数は主にキャパシタＣｐ２とインダクタＬｐ２による直列共振回路２４１の共振で定まる。電気エネルギー変換は弾性振動を介するため、圧電体セラミックスの弾性波伝搬速度と寸法で決まる固有共振周波数を有する。この直列共振回路２４１の共振周波数は、送電装置１０１が備える圧電トランス１４の共振周波数、すなわち、直列共振回路１４１の共振周波数と実質的に同じである。   The resonance frequency of the piezoelectric transformer 24 is determined mainly by the resonance of the series resonance circuit 241 by the capacitor Cp2 and the inductor Lp2. Since electrical energy conversion is via elastic vibration, it has a natural resonance frequency determined by the elastic wave propagation velocity and dimensions of the piezoelectric ceramic. The resonance frequency of the series resonance circuit 241 is substantially the same as the resonance frequency of the piezoelectric transformer 14 included in the power transmission apparatus 101, that is, the resonance frequency of the series resonance circuit 141.

圧電トランス２４の等価入力容量であるキャパシタＣ２１は、受電側コイル２５と共に並列共振回路２４２を構成している。この並列共振回路２４２は、直列共振回路２４１と共振周波数が実質的に同じとなるように回路定数が設定されている。並列共振回路２４２は、本発明に係る「受電側第１共振回路」の一例である。   A capacitor C 21, which is an equivalent input capacitance of the piezoelectric transformer 24, forms a parallel resonance circuit 242 together with the power receiving side coil 25. The parallel resonant circuit 242 has circuit constants set so that the resonant frequency is substantially the same as that of the series resonant circuit 241. The parallel resonance circuit 242 is an example embodiment that corresponds to the “power-receiving-side first resonance circuit” according to the present invention.

また、圧電トランス２４の第１電極Ｅ２１と整流平滑回路２３との間には、インダクタＬ２が接続されている。インダクタＬ２は、本発明に係る「受電側インダクタ」の一例である。圧電トランス２４の等価出力容量であるキャパシタＣ２２は、このインダクタＬ２と共に直列共振回路２４３を構成している。直列共振回路２４３も、直列共振回路２４１と共振周波数が実質的に同じとなるよう回路定数が設定されている。したがって、直列共振回路２４１，２４３及び並列共振回路２４２と、送電装置１０１側の直列共振回路１４１，１４２及び並列共振回路１４３とは、共振周波数が実質的に同じである。直列共振回路２４３は、本発明に係る「受電側第２共振回路」の一例である。   An inductor L2 is connected between the first electrode E21 of the piezoelectric transformer 24 and the rectifying / smoothing circuit 23. The inductor L2 is an example embodiment that corresponds to the “power receiving side inductor” according to the present invention. A capacitor C22, which is an equivalent output capacity of the piezoelectric transformer 24, forms a series resonance circuit 243 together with the inductor L2. The circuit constants of the series resonance circuit 243 are also set so that the resonance frequency is substantially the same as that of the series resonance circuit 241. Therefore, the series resonant circuits 241 and 243 and the parallel resonant circuit 242 and the series resonant circuits 141 and 142 and the parallel resonant circuit 143 on the power transmission apparatus 101 side have substantially the same resonant frequency. The series resonance circuit 243 is an example embodiment that corresponds to the “power-receiving-side second resonance circuit” according to the present invention.

整流平滑回路２３は、ダイオードブリッジ、キャパシタ及びインダクタ等を含み、圧電トランス２４で降圧された電圧を整流平滑し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２へ出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、整流された電圧を所定値の電圧に変換して、負荷回路ＲＬへ出力する。   The rectifying / smoothing circuit 23 includes a diode bridge, a capacitor, an inductor, and the like, rectifies and smoothes the voltage stepped down by the piezoelectric transformer 24, and outputs it to the DC-DC converter 22. The DC-DC converter 22 converts the rectified voltage into a voltage having a predetermined value and outputs the voltage to the load circuit RL.

ここで、圧電トランス１４，２４の構造について説明する。   Here, the structure of the piezoelectric transformers 14 and 24 will be described.

図４は、圧電トランス１４，２４の構造を説明するための斜視図である。圧電トランス１４，２４の構造は同じであるため、以下では、圧電トランス１４について説明し、圧電トランス２４については対応する符号をカッコ書きで記し、説明は省略する。   FIG. 4 is a perspective view for explaining the structure of the piezoelectric transformers 14 and 24. Since the structures of the piezoelectric transformers 14 and 24 are the same, the piezoelectric transformer 14 will be described below, and the corresponding reference numerals are written in parentheses for the piezoelectric transformer 24, and description thereof will be omitted.

圧電トランス１４（２４）は矩形板状の圧電体板３０（４０）を備えている。この圧電体板３０（４０）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。圧電トランス１４（２４）は、（３λ／２）共振モードで長さ方向に振動する。ここで、λは長さ方向の振動の１波長である。したがって、圧電トランス１４（２４）の長さは（３λ／２）としている。ここで、圧電体板３０（４０）の幅及び厚みは（λ／２）未満とすることが好ましい。幅方向及び厚み方向の振動が長さ方向の振動に結合せず、圧電体板３０（４０）全体の振動が不安定とならないためである。   The piezoelectric transformer 14 (24) includes a rectangular plate-shaped piezoelectric plate 30 (40). The piezoelectric plate 30 (40) is formed by laminating, for example, PZT ceramic sheets. The piezoelectric transformer 14 (24) vibrates in the length direction in the (3λ / 2) resonance mode. Here, λ is one wavelength of vibration in the length direction. Therefore, the length of the piezoelectric transformer 14 (24) is set to (3λ / 2). Here, the width and thickness of the piezoelectric plate 30 (40) are preferably less than (λ / 2). This is because the vibration in the width direction and the thickness direction are not coupled to the vibration in the length direction, and the vibration of the entire piezoelectric plate 30 (40) is not unstable.

圧電体板３０（４０）は、長さ方向に沿って、第１領域３１（４１）、第２領域３２（４２）、及び第３領域３３（４３）が形成されている。各領域３１（４１）〜３３（４３）の長さは、何れもλ／２である。第１領域３１（４１）及び第３領域３３（４３）は高電圧領域であり、第２領域３２（４２）は低電圧領域である。   The piezoelectric plate 30 (40) is formed with a first region 31 (41), a second region 32 (42), and a third region 33 (43) along the length direction. Each of the lengths of the regions 31 (41) to 33 (43) is λ / 2. The first region 31 (41) and the third region 33 (43) are high voltage regions, and the second region 32 (42) is a low voltage region.

図４の矢印で示すように、第１領域３１（４１）及び第３領域３３（４３）は、長さ方向に分極されている。第２領域３２（４２）は、厚み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。   As shown by the arrows in FIG. 4, the first region 31 (41) and the third region 33 (43) are polarized in the length direction. The second region 32 (42) is polarized in the thickness direction. Examples of the polarization treatment method include a method of applying a voltage of 2 kV / mm to the piezoelectric plate in insulating oil at 170 ° C.

第２領域３２（４２）には、厚み方向に対向するよう圧電体板３０（４０）の上下面に、第１電極Ｅ１１（Ｅ２１）と第２電極Ｅ１２（Ｅ２２）とが設けられている。また、圧電体板３０（４０）の長さ方向に対向する二側面には、第３電極Ｅ１３（Ｅ２３）と第４電極Ｅ１４（Ｅ２４）が設けられている。   In the second region 32 (42), the first electrode E11 (E21) and the second electrode E12 (E22) are provided on the upper and lower surfaces of the piezoelectric plate 30 (40) so as to face each other in the thickness direction. In addition, a third electrode E13 (E23) and a fourth electrode E14 (E24) are provided on two side surfaces of the piezoelectric plate 30 (40) facing in the length direction.

以上のように構成された、送電装置１０１の圧電トランス１４において、インバータ回路１２から第１電極Ｅ１１と第２電極Ｅ１２とへ交流電圧が印加されると、圧電体板３０の厚み方向に電圧が印加される。このため、第２領域３２には分極方向に電界が加えられる。そして、逆圧電効果により分極方向に直交する方向、すなわち、圧電体板３０の長さ方向に縦振動が励振される。縦振動が励振されると、第１領域３１及び第３領域３３では長さ方向に機械的歪みが生じ、圧電横効果により分極方向に電位差が発生する。この電位差により第１領域３１及び第３領域３３が高電圧部となり、第３電極Ｅ１３及び第４電極Ｅ１４から高電圧が取り出される。この取り出される高電圧は送電側コイル１５へ印加される。   In the piezoelectric transformer 14 of the power transmission device 101 configured as described above, when an AC voltage is applied from the inverter circuit 12 to the first electrode E11 and the second electrode E12, a voltage is applied in the thickness direction of the piezoelectric plate 30. Applied. For this reason, an electric field is applied to the second region 32 in the polarization direction. Then, longitudinal vibration is excited in the direction orthogonal to the polarization direction by the inverse piezoelectric effect, that is, in the length direction of the piezoelectric plate 30. When longitudinal vibration is excited, mechanical strain is generated in the length direction in the first region 31 and the third region 33, and a potential difference is generated in the polarization direction due to the piezoelectric transverse effect. Due to this potential difference, the first region 31 and the third region 33 become a high voltage portion, and a high voltage is extracted from the third electrode E13 and the fourth electrode E14. The extracted high voltage is applied to the power transmission side coil 15.

また、受電装置２０１の圧電トランス２４において、第３電極Ｅ２３及び第４電極Ｅ２４が受電側コイル２５に接続されている。送電装置１０１から受電装置２０１へ電力伝送され、受電側コイル２５に電圧が誘起すると、第３電極Ｅ２３及び第４電極Ｅ２４によって、圧電体板４０の長さ方向に電圧が印加される。このため、第１領域４１及び第３領域４３には分極方向に電界が加えられる。そして、逆圧電効果により分極方向に直交する方向、すなわち、圧電体板４０の厚み方向に縦振動が励振される。縦振動が励振されると、第２領域４２では分極方向に機械的歪みが生じ、圧電横効果により分極方向に電位差が発生する。この電位差により第２領域４２が低電圧部となり、第１電極Ｅ２１及び第２電極Ｅ２２から低電圧が取り出される。   Further, in the piezoelectric transformer 24 of the power receiving device 201, the third electrode E 23 and the fourth electrode E 24 are connected to the power receiving side coil 25. When power is transmitted from the power transmitting apparatus 101 to the power receiving apparatus 201 and a voltage is induced in the power receiving coil 25, the voltage is applied in the length direction of the piezoelectric plate 40 by the third electrode E23 and the fourth electrode E24. For this reason, an electric field is applied to the first region 41 and the third region 43 in the polarization direction. Then, longitudinal vibration is excited in the direction orthogonal to the polarization direction by the inverse piezoelectric effect, that is, in the thickness direction of the piezoelectric plate 40. When longitudinal vibration is excited, mechanical distortion occurs in the polarization direction in the second region 42, and a potential difference occurs in the polarization direction due to the piezoelectric transverse effect. Due to this potential difference, the second region 42 becomes a low voltage portion, and a low voltage is extracted from the first electrode E21 and the second electrode E22.

以上のように構成された電力伝送システム１では、送電装置１０１のインバータ回路１２の駆動周波数を、各共振回路の共振周波数に設定することで、高効率な電力伝送が可能となる。前記のように、送電装置１０１及び受電装置２０１に構成される共振回路は、共振周波数が実質的に同じである。そして、駆動周波数は、その共振周波数に定められる。共振周波数において、並列共振回路１４３と並列共振回路２４２とはハイインピーダンス（極大）となり、直列共振回路１４１，１４２と直列共振回路２４１，２４３とはローインピーダンス（極小）となる。このため、各共振回路における電圧降下、すなわち、インバータ回路１２と負荷回路ＲＬとの間での電圧降下は小さい。したがって、高い伝送効率で送電装置１０１から受電装置２０１へ電力を伝送できる。   In the power transmission system 1 configured as described above, by setting the drive frequency of the inverter circuit 12 of the power transmission apparatus 101 to the resonance frequency of each resonance circuit, highly efficient power transmission is possible. As described above, the resonance circuits configured in the power transmission device 101 and the power reception device 201 have substantially the same resonance frequency. The drive frequency is determined by the resonance frequency. At the resonance frequency, the parallel resonance circuit 143 and the parallel resonance circuit 242 have high impedance (maximum), and the series resonance circuits 141 and 142 and the series resonance circuits 241 and 243 have low impedance (minimum). For this reason, the voltage drop in each resonance circuit, that is, the voltage drop between the inverter circuit 12 and the load circuit RL is small. Therefore, power can be transmitted from the power transmitting apparatus 101 to the power receiving apparatus 201 with high transmission efficiency.

また、送電装置１０１に受電装置２０１を載置（近接）したときのインバータ回路１２から負荷回路ＲＬまでの経路に、Ｑ値の高い共振系を構成できる。このため、高調波成分によるＥＭＩ（Electro Magnetic Interference：電波障害）を抑制できる。そして、この共振系を構成するために、圧電トランス１４，２４の容量成分と、送電側コイル１５及び受電側コイル２５とを用いているため、共振回路を構成するための部品点数の増加を抑制できる。   In addition, a resonant system having a high Q value can be configured on the path from the inverter circuit 12 to the load circuit RL when the power receiving device 201 is placed (close to) the power transmitting device 101. For this reason, EMI (Electro Magnetic Interference) due to harmonic components can be suppressed. And since the capacitive component of the piezoelectric transformers 14 and 24 and the power transmission side coil 15 and the power receiving side coil 25 are used to configure this resonance system, an increase in the number of parts for configuring the resonance circuit is suppressed. it can.

また、送電装置１０１側では、圧電トランス１４と送電側コイル１５とで共振系が構成され、受電装置２０１側では、圧電トランス２４と受電側コイル２５とで共振系が構成されている。その場合でも、圧電トランス内部の共振は、送電側コイル１５と受電側コイル２５との結合度に依存しないため、送電側コイル１５と受電側コイル２５との結合度に関係なく、高調波成分の少ない電力伝送が可能となる。   Further, on the power transmission device 101 side, the piezoelectric transformer 14 and the power transmission side coil 15 constitute a resonance system, and on the power reception device 201 side, the piezoelectric transformer 24 and the power reception side coil 25 constitute a resonance system. Even in such a case, the resonance inside the piezoelectric transformer does not depend on the degree of coupling between the power transmission side coil 15 and the power reception side coil 25, so that the harmonic component is not related to the degree of coupling between the power transmission side coil 15 and the power reception side coil 25. Less power transmission is possible.

さらに、圧電トランス１４の等価入力容量であるキャパシタＣ１１及び等価出力容量であるキャパシタＣ１２それぞれに対して共振回路１４２，１４３を構成している。したがって、圧電トランス１４のキャパシタＣ１１，Ｃ１２それぞれにおいて生じる損失を抑制できるため、圧電トランス１４に大電圧を入出力させる必要がない。   Furthermore, resonance circuits 142 and 143 are configured for the capacitor C11 which is an equivalent input capacitance of the piezoelectric transformer 14 and the capacitor C12 which is an equivalent output capacitance, respectively. Therefore, since the loss generated in each of the capacitors C11 and C12 of the piezoelectric transformer 14 can be suppressed, it is not necessary to input and output a large voltage to the piezoelectric transformer 14.

同様に、圧電トランス２４の等価入力容量であるキャパシタＣ２１及び等価出力容量であるキャパシタＣ２２それぞれに対して共振回路２４２，２４３を構成し、それら共振回路２４２，２４３の共振周波数は、電力伝送システム１の駆動周波数と実質的に同じに設定されている。したがって、圧電トランス２４のキャパシタＣ２１，Ｃ２２それぞれにおいて生じる損失を抑制できるため、圧電トランス１４に大電圧を入出力させる必要がない。   Similarly, resonance circuits 242 and 243 are respectively formed for the capacitor C21 which is an equivalent input capacitance and the capacitor C22 which is an equivalent output capacitance of the piezoelectric transformer 24, and the resonance frequencies of the resonance circuits 242 and 243 are determined by the power transmission system 1. The driving frequency is set to be substantially the same. Therefore, since the loss generated in each of the capacitors C21 and C22 of the piezoelectric transformer 24 can be suppressed, it is not necessary to input and output a large voltage to the piezoelectric transformer 14.

なお、本実施形態では、各共振回路は共振周波数が実質的に同じとしているが、送電側コイル１５及び受電側コイル２５の巻線数等、回路設計の都合上、各共振回路の共振周波数が完全に一致していなくてもよい。また、インバータ回路１２の駆動周波数は、各共振回路の共振周波数と完全に一致していなくてもよく、共振周波数に近い周波数、例えば、共振周波数の±１０％程度の誤差の範囲内であればよい。   In this embodiment, the resonance frequency of each resonance circuit is substantially the same. However, for the convenience of circuit design such as the number of windings of the power transmission side coil 15 and the power reception side coil 25, the resonance frequency of each resonance circuit is It does not have to be exactly the same. In addition, the drive frequency of the inverter circuit 12 may not completely match the resonance frequency of each resonance circuit, and is within a range of errors close to the resonance frequency, for example, about ± 10% of the resonance frequency. Good.

(実施形態２)
図５は、実施形態２に係る電力伝送システム２の回路図である。図６は、図５に示す受電装置２０２の等価回路図である。この例では、電力伝送システム２が備える受電装置２０２に構成される共振回路が実施形態１と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、電力伝送システム２が備える送電装置１０１は実施形態１と同様であり、説明は省略する。 (Embodiment 2)
FIG. 5 is a circuit diagram of the power transmission system 2 according to the second embodiment. 6 is an equivalent circuit diagram of the power receiving device 202 shown in FIG. In this example, the resonance circuit configured in the power receiving device 202 included in the power transmission system 2 is different from that in the first embodiment. Hereinafter, the difference will be described. The power transmission device 101 included in the power transmission system 2 is the same as that in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

受電装置２０１が備える圧電トランス２４と、整流平滑回路２３との間には、インダクタＬ３が接続されている。インダクタＬ３は、本発明に係る「受電側インダクタ」の一例である。このインダクタＬ３は、圧電トランス２４の等価出力容量であるキャパシタＣ２２に対して並列接続される。そして、インダクタＬ３とキャパシタＣ２２とは、並列共振回路２４４を構成している。この並列共振回路２４４は、直列共振回路２４１及び並列共振回路２４２と共振周波数が実質的に同じとなるよう回路定数が設定されている。並列共振回路２４４は、本発明に係る「受電側第２共振回路」の一例である。   An inductor L <b> 3 is connected between the piezoelectric transformer 24 included in the power receiving device 201 and the rectifying and smoothing circuit 23. The inductor L3 is an example embodiment that corresponds to the “power receiving side inductor” according to the present invention. The inductor L3 is connected in parallel to the capacitor C22 which is an equivalent output capacity of the piezoelectric transformer 24. The inductor L3 and the capacitor C22 constitute a parallel resonance circuit 244. The parallel resonance circuit 244 has circuit constants set so that the resonance frequency is substantially the same as the series resonance circuit 241 and the parallel resonance circuit 242. The parallel resonant circuit 244 is an example embodiment that corresponds to the “power receiving side second resonant circuit” according to the present invention.

以上の構成において、実施形態１と同様に、電力伝送システム２のインバータ回路１２の駆動周波数は、構成された各共振回路の共振周波数と実質的に同じ周波数に定められる。これにより、送電装置１０１に構成される直列共振回路１４１，１４２（図２参照）はローインピーダンス（極小）となり、並列共振回路１４３（図２参照）はハイインピーダンス（極大）となる。また、受電装置２０２に構成される直列共振回路２４１はローインピーダンス（極小）となり、並列共振回路２４２，２４４はハイインピーダンス（極大）となる。このため、各共振回路における電圧降下、すなわち、インバータ回路１２と負荷回路ＲＬとの間での電圧降下は小さい。したがって、高い伝送効率で送電装置１０１から受電装置２０２へ電力を伝送できる。   In the above configuration, as in the first embodiment, the drive frequency of the inverter circuit 12 of the power transmission system 2 is determined to be substantially the same as the resonance frequency of each configured resonance circuit. As a result, the series resonant circuits 141 and 142 (see FIG. 2) configured in the power transmission apparatus 101 have low impedance (minimum), and the parallel resonant circuit 143 (see FIG. 2) has high impedance (maximum). Further, the series resonance circuit 241 configured in the power receiving apparatus 202 has a low impedance (minimum), and the parallel resonance circuits 242 and 244 have a high impedance (maximum). For this reason, the voltage drop in each resonance circuit, that is, the voltage drop between the inverter circuit 12 and the load circuit RL is small. Therefore, power can be transmitted from the power transmitting apparatus 101 to the power receiving apparatus 202 with high transmission efficiency.

また、圧電トランス２４のキャパシタＣ２２に対して並列共振回路２４４を構成している。このため、圧電トランス２４のキャパシタＣ２１，Ｃ２２それぞれにおいて生じる損失を抑制できるため、圧電トランス１４に大電圧を入出力させる必要がない。   In addition, a parallel resonance circuit 244 is configured for the capacitor C22 of the piezoelectric transformer 24. For this reason, since the loss which arises in each of the capacitors C21 and C22 of the piezoelectric transformer 24 can be suppressed, it is not necessary to input / output a large voltage to the piezoelectric transformer 14.

また、結合を強めることができ、より低い振動速度で電力伝送させることができる。圧電トランス内部にはできるだけ電流を流さないで駆動するほうが、効率（電気エネルギーと機械エネルギーの変換の効率）はよい。また、圧電体板４０を流れる電流が増えると、圧電体板４０の振動速度が高くなる。内部のキャパシタＣ２１，Ｃ２２も電流が流れる経路になるので、外部にインダクタＬ３を並列することで、圧電体板４０の振動周波数において並列共振させれば、ＬＣ並列共振のインピーダンスは最大になり、キャパシタＣ２１，Ｃ２２を流れる電流は最小になる。すなわち、圧電トランス２４を流れる電流を、できるだけ負荷のインピーダンスにのみ流れるようにすることで、電流を最小化できる。そのため、振動速度をより低くでき、かつ圧電トランス２４の効率も最大にできる。   Further, the coupling can be strengthened, and power can be transmitted at a lower vibration speed. Driving the piezoelectric transformer with as little current as possible has better efficiency (efficiency of conversion between electric energy and mechanical energy). Further, when the current flowing through the piezoelectric plate 40 increases, the vibration speed of the piezoelectric plate 40 increases. Since the internal capacitors C21 and C22 also become a path through which current flows, if parallel resonance is performed at the vibration frequency of the piezoelectric plate 40 by paralleling the inductor L3 outside, the impedance of the LC parallel resonance becomes maximum, and the capacitor The current flowing through C21 and C22 is minimized. That is, the current can be minimized by making the current flowing through the piezoelectric transformer 24 flow only in the impedance of the load as much as possible. Therefore, the vibration speed can be further reduced and the efficiency of the piezoelectric transformer 24 can be maximized.

(実施形態３)
図７は、実施形態３に係る電力伝送システム３の回路図である。この例では、電力伝送システム３が備える送電装置１０２が圧電トランスを備えていない点で実施形態１，２と相違する。 (Embodiment 3)
FIG. 7 is a circuit diagram of the power transmission system 3 according to the third embodiment. This example is different from the first and second embodiments in that the power transmission device 102 included in the power transmission system 3 does not include a piezoelectric transformer.

電力伝送システム３は、送電装置１０２と受電装置２０３とを備えている。送電装置１０２は、インバータ回路１２から出力される交流電圧を昇圧し、送電側コイル１５へ印加する昇圧トランスＴ１を備えている。昇圧トランスＴ１は１次コイルと２次コイルを備えている。昇圧トランスＴ１の１次コイルは、インバータ回路１２のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点と、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４の接続点とに接続されている。昇圧トランスＴ１の２次コイルは、キャパシタＣ３を介して送電側コイル１５に接続されている。キャパシタＣ３は送電側コイル１５と共に直列共振回路１６を構成している。   The power transmission system 3 includes a power transmission device 102 and a power reception device 203. The power transmission device 102 includes a step-up transformer T1 that boosts the AC voltage output from the inverter circuit 12 and applies the boosted voltage to the power transmission side coil 15. The step-up transformer T1 includes a primary coil and a secondary coil. The primary coil of the step-up transformer T1 is connected to a connection point between the switch elements Q1 and Q2 of the inverter circuit 12 and a connection point between the switch elements Q3 and Q4. The secondary coil of the step-up transformer T1 is connected to the power transmission side coil 15 via the capacitor C3. The capacitor C3 constitutes a series resonance circuit 16 together with the power transmission side coil 15.

受電装置２０３は、受電側コイル２５に誘起される電圧を降圧し、整流平滑回路２３へ出力する圧電トランス２６を備えている。圧電トランス２６はローゼン型であり、第１電極Ｅ３１、第２電極Ｅ３２及び第３電極Ｅ３３を備えている。第１電極Ｅ３１は受電側コイル２５の一端に接続されている。第３電極Ｅ３３は、受電側コイル２５の他端に接続されている。また、第２電極Ｅ３２と第３電極Ｅ３３とは、整流平滑回路２３に接続されている。圧電トランス２６は、第１電極Ｅ３１と第３電極Ｅ３３との間に印加される電圧を降圧して第２電極Ｅ３２へ出力する。   The power receiving device 203 includes a piezoelectric transformer 26 that steps down the voltage induced in the power receiving side coil 25 and outputs the voltage to the rectifying and smoothing circuit 23. The piezoelectric transformer 26 is a Rosen type and includes a first electrode E31, a second electrode E32, and a third electrode E33. The first electrode E31 is connected to one end of the power reception side coil 25. The third electrode E <b> 33 is connected to the other end of the power receiving side coil 25. The second electrode E32 and the third electrode E33 are connected to the rectifying / smoothing circuit 23. The piezoelectric transformer 26 steps down the voltage applied between the first electrode E31 and the third electrode E33 and outputs it to the second electrode E32.

この圧電トランス２６は、図３に示す等価回路で表すことができる。そして、圧電トランス２６の等価入力容量のキャパシタは、受電側コイル２５と並列共振回路を構成する。この並列共振回路は、圧電トランス２６の共振周波数と実質的に同じ周波数となるよう回路定数が設定されている。圧電トランス２６の共振周波数とは、図３で示す直列共振回路２４１の共振周波数である。そして、送電装置１０２側の直列共振回路１６の共振周波数は、圧電トランス２６の共振周波数と実質的に同じとなるよう回路定数が設定されている。   The piezoelectric transformer 26 can be represented by an equivalent circuit shown in FIG. A capacitor having an equivalent input capacitance of the piezoelectric transformer 26 forms a parallel resonance circuit with the power receiving side coil 25. In this parallel resonant circuit, circuit constants are set so as to be substantially the same frequency as the resonant frequency of the piezoelectric transformer 26. The resonance frequency of the piezoelectric transformer 26 is the resonance frequency of the series resonance circuit 241 shown in FIG. The circuit constant is set so that the resonance frequency of the series resonance circuit 16 on the power transmission device 102 side is substantially the same as the resonance frequency of the piezoelectric transformer 26.

送電装置１０１の制御回路１３は、インバータ回路１２の駆動周波数を各共振回路の共振周波数に設定し、インバータ回路１２をＰＷＭ制御する。   The control circuit 13 of the power transmission apparatus 101 sets the drive frequency of the inverter circuit 12 to the resonance frequency of each resonance circuit, and performs PWM control of the inverter circuit 12.

電力伝送システム３のインバータ回路１２の駆動周波数は、実施形態１，２と同様に、構成された共振回路の共振周波数と実質的に同じ周波数に定められる。これにより、送電装置１０２に構成される直列共振回路１６はローインピーダンス（極小）となる。また、受電装置２０３に構成される直列共振回路はローインピーダンス（極小）となり、並列共振回路はハイインピーダンス（極大）となる。このため、各共振回路における電圧降下、すなわち、インバータ回路１２と負荷回路ＲＬとの間での電圧降下は小さい。したがって、高い伝送効率で送電装置１０２から受電装置２０３へ電力を伝送できる。   The drive frequency of the inverter circuit 12 of the power transmission system 3 is determined to be substantially the same as the resonance frequency of the configured resonance circuit, as in the first and second embodiments. Thereby, the series resonant circuit 16 comprised in the power transmission apparatus 102 becomes a low impedance (minimum). Further, the series resonance circuit configured in the power receiving device 203 has low impedance (minimum), and the parallel resonance circuit has high impedance (maximum). For this reason, the voltage drop in each resonance circuit, that is, the voltage drop between the inverter circuit 12 and the load circuit RL is small. Therefore, power can be transmitted from the power transmitting apparatus 102 to the power receiving apparatus 203 with high transmission efficiency.

また、ローゼン型の圧電トランスを用いることで、変圧比を大きくすることができる。例えば、第２電極Ｅ３２及び第３電極Ｅ３３の面積を小さくして、圧電トランスの等価入力容量より等価出力容量を大きくすることで変圧比を大きくできる。この変圧比は、負荷回路ＲＬへ供給する電圧に応じて適宜設定変更される。   In addition, the transformation ratio can be increased by using a Rosen type piezoelectric transformer. For example, the transformation ratio can be increased by reducing the area of the second electrode E32 and the third electrode E33 and increasing the equivalent output capacity from the equivalent input capacity of the piezoelectric transformer. This transformation ratio is appropriately changed according to the voltage supplied to the load circuit RL.

なお、本実施形態に係る圧電トランス２６はローゼン型であるが、その構造は適宜変更可能である。また、圧電トランス２６はローゼン型としたが、実施形態１，２と同じ圧電トランスであってもよいし、他の構造の圧電トランスであってもよい。   Although the piezoelectric transformer 26 according to the present embodiment is a Rosen type, the structure thereof can be changed as appropriate. Further, although the piezoelectric transformer 26 is a Rosen type, it may be the same piezoelectric transformer as in the first and second embodiments, or may be a piezoelectric transformer having another structure.

（実施形態４）
図８は、実施形態４に係る電力伝送システム４の回路図である。この例では、電力伝送システム４が備える受電装置２０４が圧電トランスを備えていない点で実施形態１，２と相違する。 (Embodiment 4)
FIG. 8 is a circuit diagram of the power transmission system 4 according to the fourth embodiment. This example is different from the first and second embodiments in that the power receiving device 204 included in the power transmission system 4 does not include a piezoelectric transformer.

電力伝送システム４は、送電装置１０３と受電装置２０４とを備えている。送電装置１０３は、インバータ回路１２から出力される交流電圧を昇圧し、送電側コイル１５へ印加する圧電トランス１７を備えている。圧電トランス１７は、実施形態３と同様、ローゼン型であり、第１電極Ｅ４１、第２電極Ｅ４２及び第３電極Ｅ４３を備えている。第１電極Ｅ４１は受電側コイル２５の一端に接続されている。第３電極Ｅ４３は、受電側コイル２５の他端に接続されている。また、第２電極Ｅ４２は、インバータ回路１２のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に接続され、第３電極Ｅ４３はスイッチ素子Ｑ３，Ｑ４の接続点に接続されている。圧電トランス１７は、第２電極Ｅ４２と第３電極Ｅ４３との間に印加される電圧を降圧して第１電極Ｅ４１へ出力する。   The power transmission system 4 includes a power transmission device 103 and a power reception device 204. The power transmission device 103 includes a piezoelectric transformer 17 that boosts the AC voltage output from the inverter circuit 12 and applies it to the power transmission side coil 15. The piezoelectric transformer 17 is a Rosen type as in the third embodiment, and includes a first electrode E41, a second electrode E42, and a third electrode E43. The first electrode E41 is connected to one end of the power receiving side coil 25. The third electrode E43 is connected to the other end of the power receiving coil 25. The second electrode E42 is connected to the connection point of the switch elements Q1 and Q2 of the inverter circuit 12, and the third electrode E43 is connected to the connection point of the switch elements Q3 and Q4. The piezoelectric transformer 17 steps down the voltage applied between the second electrode E42 and the third electrode E43 and outputs it to the first electrode E41.

この圧電トランス１７は、図２に示す等価回路で表すことができる。そして、圧電トランス１７の等価出力容量のキャパシタは、送電側コイル１５と並列共振回路を構成する。この並列共振回路は、圧電トランス１７の共振周波数と実質的に同じ周波数となるよう回路定数が設定されている。圧電トランス１７の共振周波数とは、図２で示す直列共振回路１４１の共振周波数である。   The piezoelectric transformer 17 can be represented by an equivalent circuit shown in FIG. The capacitor having an equivalent output capacity of the piezoelectric transformer 17 forms a parallel resonance circuit with the power transmission side coil 15. In this parallel resonant circuit, circuit constants are set so as to have substantially the same frequency as the resonant frequency of the piezoelectric transformer 17. The resonance frequency of the piezoelectric transformer 17 is the resonance frequency of the series resonance circuit 141 shown in FIG.

受電装置２０４は、受電側コイル２５に誘起される電圧を降圧し、整流平滑回路２３へ出力する降圧トランスＴ２を備えている。降圧トランスＴ２は１次コイルと２次コイルを備えている。降圧トランスＴ２の１次コイルは、キャパシタＣ４を介して受電側コイル２５に接続されている。降圧トランスＴ２の２次コイルは、整流平滑回路２３に接続されている。キャパシタＣ４と受電側コイル２５とは並列共振回路を構成している。この並列共振回路の共振周波数は、圧電トランス１７の共振周波数と実質的に同じとなるよう回路定数が設定されている。   The power receiving device 204 includes a step-down transformer T <b> 2 that steps down the voltage induced in the power receiving side coil 25 and outputs it to the rectifying and smoothing circuit 23. The step-down transformer T2 includes a primary coil and a secondary coil. The primary coil of the step-down transformer T2 is connected to the power receiving side coil 25 via the capacitor C4. The secondary coil of the step-down transformer T2 is connected to the rectifying and smoothing circuit 23. The capacitor C4 and the power receiving side coil 25 constitute a parallel resonance circuit. The circuit constant is set so that the resonance frequency of the parallel resonance circuit is substantially the same as the resonance frequency of the piezoelectric transformer 17.

送電装置１０３の制御回路１３は、インバータ回路１２の駆動周波数を各共振回路の共振周波数に設定し、インバータ回路１２をＰＷＭ制御する。   The control circuit 13 of the power transmission apparatus 103 sets the drive frequency of the inverter circuit 12 to the resonance frequency of each resonance circuit, and performs PWM control of the inverter circuit 12.

電力伝送システム４のインバータ回路１２の駆動周波数は、実施形態１，２と同様に、構成された共振回路の共振周波数と実質的に同じ周波数に定められる。これにより、送電装置１０３に構成される直列共振回路はローインピーダンス（極小）となり、並列共振回路はハイインピーダンス（極大）となる。また、受電装置２０４に構成される並列共振回路はハイインピーダンス（極大）となる。このため、各共振回路における電圧降下、すなわち、インバータ回路１２と負荷回路ＲＬとの間での電圧降下は小さい。したがって、高い伝送効率で送電装置１０３から受電装置２０４へ電力を伝送できる。   The drive frequency of the inverter circuit 12 of the power transmission system 4 is determined to be substantially the same as the resonance frequency of the configured resonance circuit, as in the first and second embodiments. Thereby, the series resonance circuit comprised in the power transmission apparatus 103 becomes a low impedance (minimum), and a parallel resonance circuit becomes a high impedance (maximum). Further, the parallel resonant circuit configured in the power receiving device 204 has high impedance (maximum). For this reason, the voltage drop in each resonance circuit, that is, the voltage drop between the inverter circuit 12 and the load circuit RL is small. Therefore, power can be transmitted from the power transmitting apparatus 103 to the power receiving apparatus 204 with high transmission efficiency.

１，２，３，４…電力伝送システム
１１…直流電源
１２…インバータ回路
１３…制御回路
１４，１７，２４，２６…圧電トランス
１５…送電側コイル
１６…直列共振回路
２２…ＤＣ−ＤＣコンバータ
２３…整流平滑回路
２５…受電側コイル
３０，４０…圧電体板
３１，４１…第１領域
３２，４２…第２領域
３３，４３…第３領域
１０１，１０２，１０３…送電装置
１４１…直列共振回路
１４２…直列共振回路（送電側第２共振回路）
１４３…並列共振回路（送電側第１共振回路）
２０１，２０２，２０３，２０４…受電装置
２４１…直列共振回路
２４２…並列共振回路（受電側第１共振回路）
２４３…直列共振回路（受電側第２共振回路）
２４４…並列共振回路（受電側第２共振回路）
Ｃ１１…キャパシタ（入力容量成分）
Ｃ１２…キャパシタ（出力容量成分）
Ｃ２１…キャパシタ（入力容量成分）
Ｃ２２…キャパシタ（出力容量成分）
Ｃ３，Ｃ４…キャパシタ
Ｃｐ１，Ｃｐ２…キャパシタ
Ｅ１１，Ｅ２１，Ｅ３１，Ｅ４１…第１電極
Ｅ１２，Ｅ２２，Ｅ３２，Ｅ４２…第２電極
Ｅ１３，Ｅ２３，Ｅ３３，Ｅ４３…第３電極
Ｅ１４，Ｅ２４…第４電極
Ｌ１…インダクタ（送電側インダクタ）
Ｌ２，Ｌ３…インダクタ（受電側インダクタ）
Ｌｐ１，Ｌｐ２…インダクタ
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４…スイッチ素子
ＲＬ…負荷回路
Ｒｐ１，Ｒｐ２…抵抗
Ｔ１…昇圧トランス
Ｔ２…降圧トランス 1, 2, 3, 4 ... Power transmission system 11 ... DC power supply 12 ... Inverter circuit 13 ... Control circuits 14, 17, 24, 26 ... Piezoelectric transformer 15 ... Power transmission side coil 16 ... Series resonance circuit 22 ... DC-DC converter 23 ... rectifying / smoothing circuit 25 ... receiving coil 30, 40 ... piezoelectric plates 31, 41 ... first region 32,42 ... second region 33,43 ... third region 101,102,103 ... power transmission device 141 ... series resonance circuit 142 ... Series resonance circuit (power transmission side second resonance circuit)
143 ... Parallel resonance circuit (first resonance circuit on the power transmission side)
201, 202, 203, 204 ... power receiving device 241 ... series resonance circuit 242 ... parallel resonance circuit (power receiving side first resonance circuit)
243 ... Series resonance circuit (power-receiving-side second resonance circuit)
244 ... Parallel resonant circuit (power-receiving-side second resonant circuit)
C11: Capacitor (input capacitance component)
C12: Capacitor (output capacitance component)
C21: Capacitor (input capacitance component)
C22: Capacitor (output capacitance component)
C3, C4 ... capacitors Cp1, Cp2 ... capacitors E11, E21, E31, E41 ... first electrodes E12, E22, E32, E42 ... second electrodes E13, E23, E33, E43 ... third electrodes E14, E24 ... fourth electrodes L1 ... Inductor (Inductor on the power transmission side)
L2, L3 ... Inductor (Receiver side inductor)
Lp1, Lp2 ... inductors Q1, Q2, Q3, Q4 ... switch element RL ... load circuit Rp1, Rp2 ... resistor T1 ... step-up transformer T2 ... step-down transformer

Claims (5)

送電装置が備える送電側コイルと、受電装置が備える受電側コイルとが磁界結合することで、送電装置から受電装置へ電力を伝送する電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、
直流電源から出力された直流電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路で変換された交流電圧を昇圧して前記送電側コイルへ印加する昇圧トランスと、
前記送電側コイルを含む送電側第１共振回路と、
を備え、
前記受電装置は、
前記受電側コイルに誘起された電圧を降圧する降圧トランスと、
前記降圧トランスにより降圧された電圧を整流平滑し、負荷へ供給する整流平滑回路と、
前記受電側コイルを含む受電側第１共振回路と、
を備え、
前記昇圧トランス又は前記降圧トランスの少なくとも一方は圧電トランスであり、
前記昇圧トランスが圧電トランスである場合には、前記送電側第１共振回路は、前記圧電トランスの共振周波数と実質的に同じに設定され、前記降圧トランスが圧電トランスである場合には、前記受電側第１共振回路は、前記圧電トランスの共振周波数と実質的に同じに設定され、
前記送電装置は、前記共振周波数で前記インバータ回路を駆動する制御回路を備え、
前記昇圧トランスが圧電トランスである場合には、前記送電側第１共振回路は前記圧電トランスの容量成分を含み、前記降圧トランスが圧電トランスである場合には、前記受電側第１共振回路は前記圧電トランスの容量成分を含む、
電力伝送システム。 In the power transmission system that transmits power from the power transmission device to the power reception device by magnetically coupling the power transmission side coil included in the power transmission device and the power reception side coil included in the power reception device,
The power transmission device is:
An inverter circuit for converting a DC voltage output from a DC power source into an AC voltage;
A step-up transformer that steps up the alternating voltage converted by the inverter circuit and applies the boosted voltage to the power transmission side coil;
A power transmission side first resonance circuit including the power transmission side coil;
With
The power receiving device is:
A step-down transformer for stepping down a voltage induced in the power receiving side coil;
Rectifying and smoothing the voltage stepped down by the step-down transformer and supplying the voltage to a load; and
A power-receiving-side first resonance circuit including the power-receiving-side coil;
With
At least one of the step-up transformer or the step-down transformer is a piezoelectric transformer,
When the step-up transformer is a piezoelectric transformer, the power transmission-side first resonance circuit is set to be substantially the same as the resonance frequency of the piezoelectric transformer, and when the step-down transformer is a piezoelectric transformer, the power receiving The first side resonance circuit is set to be substantially the same as the resonance frequency of the piezoelectric transformer,
The power transmission device includes a control circuit that drives the inverter circuit at the resonance frequency,
When the step-up transformer is a piezoelectric transformer, the power-transmission-side first resonance circuit includes a capacitive component of the piezoelectric transformer, and when the step-down transformer is a piezoelectric transformer, the power-receiving-side first resonance circuit is Including the capacitive component of the piezoelectric transformer,
Power transmission system. 前記降圧トランスが圧電トランスであり、
前記受電側第１共振回路は、前記圧電トランスの入力容量成分と、前記受電側コイルとで構成され、
前記受電装置は、
前記圧電トランスと前記整流平滑回路との間に接続された受電側インダクタと、
前記受電側インダクタと、前記圧電トランスの出力容量成分とで構成され、前記受電側第１共振回路と共振周波数が実質的に同じ受電側第２共振回路と、
を備える請求項１に記載の電力伝送システム。 The step-down transformer is a piezoelectric transformer;
The power receiving side first resonance circuit is composed of an input capacitance component of the piezoelectric transformer and the power receiving side coil,
The power receiving device is:
A power receiving-side inductor connected between the piezoelectric transformer and the rectifying and smoothing circuit;
A power-receiving-side second resonance circuit composed of the power-receiving-side inductor and an output capacitance component of the piezoelectric transformer, and having substantially the same resonance frequency as the power-receiving-side first resonance circuit;
A power transmission system according to claim 1. 前記昇圧トランスが圧電トランスであり、
前記送電側第１共振回路は、前記圧電トランスの出力容量成分と、前記送電側コイルとで構成され、
前記送電装置は、
前記インバータ回路と前記圧電トランスとの間に接続された送電側インダクタと、
前記送電側インダクタと、前記圧電トランスの入力容量成分とで構成され、前記送電側第１共振回路と共振周波数が実質的に同じ送電側第２共振回路と、
を備える請求項１又は２に記載の電力伝送システム。 The step-up transformer is a piezoelectric transformer;
The power transmission side first resonance circuit is composed of an output capacitance component of the piezoelectric transformer and the power transmission side coil,
The power transmission device is:
A power transmission side inductor connected between the inverter circuit and the piezoelectric transformer;
The power transmission side inductor and the input capacitance component of the piezoelectric transformer, the power transmission side second resonance circuit having substantially the same resonance frequency as the power transmission side first resonance circuit,
A power transmission system according to claim 1 or 2. 磁界結合方式により、送電装置から電力が伝送される受電装置において、
前記送電装置が備える送電側コイルと磁界結合する受電側コイルと、
前記受電側コイルに誘起された電圧を降圧する圧電トランスと、
前記受電側コイルと、前記圧電トランスの入力容量成分により構成され、前記圧電トランスと共振周波数が実質的に同じ受電側第１共振回路と、
前記圧電トランスにより降圧された電圧を整流平滑し、負荷へ供給する整流平滑回路と、
と備える受電装置。 In the power receiving device that transmits power from the power transmitting device by the magnetic field coupling method,
A power receiving side coil magnetically coupled to a power transmitting side coil included in the power transmission device;
A piezoelectric transformer that steps down the voltage induced in the power receiving coil;
A power receiving side first resonance circuit configured by the power receiving side coil and an input capacitance component of the piezoelectric transformer, and having substantially the same resonance frequency as the piezoelectric transformer;
A rectifying / smoothing circuit for rectifying and smoothing the voltage stepped down by the piezoelectric transformer and supplying the voltage to a load;
A power receiving device. 磁界結合方式により、受電装置へ電力を伝送する送電装置において、
前記受電装置が備える受電側コイルと磁界結合する送電側コイルと、
直流電源から出力された直流電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路で変換された交流電圧を昇圧して前記送電側コイルへ印加する圧電トランスと、
前記圧電トランスの出力容量成分と、前記送電側コイルとで構成され、前記圧電トランスと共振周波数が実質的に同じ送電側第１共振回路と、
前記送電側第１共振回路の共振周波数で前記インバータ回路を駆動する制御回路と、
を備える送電装置。 In the power transmission device that transmits power to the power receiving device by the magnetic field coupling method,
A power transmission side coil magnetically coupled to a power reception side coil included in the power reception device;
An inverter circuit for converting a DC voltage output from a DC power source into an AC voltage;
A piezoelectric transformer that boosts the alternating voltage converted by the inverter circuit and applies the boosted voltage to the power transmission side coil;
An output capacitance component of the piezoelectric transformer and the power transmission side coil, a power transmission side first resonance circuit having substantially the same resonance frequency as the piezoelectric transformer,
A control circuit for driving the inverter circuit at a resonance frequency of the power transmission side first resonance circuit;
A power transmission device comprising:
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