JP2015092545A - 圧電トランス、及びワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】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２１であって、共振周波数での波長をλで表すと、ｎλ／２の長さ、ｎλ／２未満の幅、及びλ／２未満の厚みを有する圧電体板３０を備える。圧電体板３０は、長さ方向に沿って、第１高電圧領域３１、低電圧領域３３、及び第２高電圧領域３２を順に有している。低電圧領域３３は、分極方向が厚み方向であり、厚み方向に対向する第１出力電極Ｅ３３及び第２出力電極Ｅ３４を有している。第１高電圧領域３１は、分極方向が長さ方向であり、圧電体板３０の一端部に設けられた第１入力電極Ｅ３１を有している。第２高電圧領域３２は、分極方向が長さ方向であり、圧電体板３０の他端部に設けられた第２入力電極Ｅ３２を有している。【選択図】図２

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。

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）。

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。

特表２００９−５３１００９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

この構成では、圧電トランスの製造が容易である。

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。

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図 実施形態１に係る圧電トランスの斜視図 図２のIII−III線の断面図 図２のIV−IV線の断面図 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 実施形態１の別の例を示す圧電トランスの斜視図 図６のVII−VII線における断面図 実施形態２に係る圧電トランスの断面図 実施形態３に係る圧電トランスの断面図 実施形態４に係る圧電トランスの斜視図 図１０のXI−XI線の断面図 実施形態５に係る圧電トランスの断面図

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

(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。

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。

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。

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。

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。

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。

(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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

(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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

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