JP5787037B2 - 圧電トランス - Google Patents

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。

特許第２９９８７１７号公報 特許第４２９７３８８号公報

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。

本発明の一形態に係る圧電トランスの外観斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面における断面図である。 本発明の一形態に係る圧電トランスの各部位での分極方向及び変位を表した図である。 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。 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。 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。 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。 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。 第１の変形例に係る圧電トランスの外観斜視図である。 第２の変形例に係る圧電トランスの外観斜視図である。 第３の変形例に係る圧電トランスの外観斜視図である。 比較事例に係る圧電トランスの側面と、当該圧電トランスの各部位の応力及び変位を表した図である。 比較事例に係る圧電トランスの側面と、当該圧電トランスの各部位の応力及び変位を表した図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (9)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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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