WO2011162085A1 - 電力伝送素子及び電力伝送装置 - Google Patents

電力伝送素子及び電力伝送装置 Download PDF

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WO2011162085A1
WO2011162085A1 PCT/JP2011/062782 JP2011062782W WO2011162085A1 WO 2011162085 A1 WO2011162085 A1 WO 2011162085A1 JP 2011062782 W JP2011062782 W JP 2011062782W WO 2011162085 A1 WO2011162085 A1 WO 2011162085A1
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power
power transmission
electro
vibrating body
piezoelectric element
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PCT/JP2011/062782
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克己 藤本
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株式会社村田製作所
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    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
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    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/40—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and electrical output, e.g. functioning as transformers

Definitions

  • the present invention relates to a power transmission element and a power transmission device including the same.
  • the present invention relates to a power transmission element using a piezoelectric element and a power transmission device including the power transmission element.
  • Patent Documents 1 to 3 propose a power transmission device that transmits power without being directly connected electrically.
  • Patent Documents 1 and 2 propose a power transmission device that transmits power from the power feeding side to the power receiving side by converting vibration of the power feeding side piezoelectric element into electric power in the power receiving side piezoelectric element. Has been.
  • Patent Document 3 proposes a power transmission device in which power is induced in the power receiving side coil by electromagnetically coupling the power feeding side coil and the power receiving side coil, and power is transmitted from the power feeding side to the power receiving side. ing.
  • the present invention has been made in view of such a point, and an object thereof is to provide a power transmission element that can continuously generate power even when energy is intermittently applied.
  • the power transmission element according to the present invention is a power transmission element that constitutes a power transmission device together with an electro-magnetic conversion element.
  • the power transmission element according to the present invention includes a vibrating body and a piezoelectric element.
  • the piezoelectric element is attached on the vibrating body. At least a part of the vibrating body is made of a magnetic material.
  • the power transmission element is a power receiving element that generates electric power in the piezoelectric element when the vibrating body vibrates due to electromagnetic energy supplied from the electro-magnetic conversion element.
  • the power transmission element is a power feeding element that supplies electromagnetic energy to the electro-magnetic conversion element by vibrating the vibrating body when the piezoelectric element vibrates.
  • the vibrating body includes a vibrating body main body and a magnetic member.
  • the vibrating body main body has first and second main surfaces.
  • a piezoelectric element is attached on the first main surface of the vibrating body.
  • the magnetic member is attached on a portion of the second main surface of the vibrating body that faces the piezoelectric element.
  • the power transmission device includes a first power transmission element and a second power transmission element.
  • the first power transmission element has an electro-magnetic conversion element.
  • the second power transmission element transmits power to and from the first power transmission element.
  • the second power transmission element includes a vibrating body and a piezoelectric element.
  • the piezoelectric element is attached on the vibrating body. At least a part of the vibrating body is made of a magnetic material.
  • the electro-magnetic conversion element and at least a part made of the vibrating body magnetic body are arranged so that the electro-magnetic conversion element and at least a part made of the vibrating body magnetic body are electromagnetically coupled.
  • the electro-magnetic conversion element and the second power transmission element are arranged apart from each other.
  • the power transmission device further includes a controller that intermittently supplies power to the electro-magnetic conversion element or the piezoelectric element. According to this configuration, electric power can be continuously transmitted by intermittently supplying electric power to the piezoelectric element. Therefore, power transmission can be performed with high energy efficiency.
  • control unit intermittently supplies power to the electro-magnetic conversion element.
  • the control unit supplies power to the electro-magnetic conversion element such that the power supply cycle to the electro-magnetic conversion element is longer than the reciprocal of the resonance frequency of the second power transmission element.
  • the power transmission device further includes a detection unit that detects vibration of the second power transmission element or a generated voltage in the piezoelectric element.
  • the control unit intermittently supplies power to the electro-magnetic conversion element.
  • the control unit adjusts the power supply cycle to the electro-magnetic conversion element so that the vibration efficiency of the second power transmission element is improved based on the detection result of the detection unit. According to this configuration, the energy efficiency of power transmission can be further increased.
  • the control unit changes the period of supplying power to the electro-magnetic conversion element while the detection unit vibrates the second power transmission element or the piezoelectric element.
  • the control unit changes the period of supplying power to the electro-magnetic conversion element while the detection unit vibrates the second power transmission element or the piezoelectric element.
  • the control unit vibrates the vibrating body by applying a voltage to the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element can be used as a vibrator or a speaker.
  • electric power is transmitted by electromagnetic coupling between the electro-magnetic conversion element and at least a part of the vibrating body made of a magnetic material.
  • the vibrating body vibrates due to electromagnetic coupling with the electro-magnetic conversion element.
  • electric power is generated in the piezoelectric element.
  • the electric power is intermittently supplied to the electro-magnetic conversion element, and the electric power is supplied to the electro-magnetic conversion element. Even if there is a period during which the vibration body is not used, power generation by the piezoelectric element is performed during the period in which the vibrating body continues to vibrate.
  • the electro-magnetic conversion element when the electro-magnetic conversion element is on the power receiving side, electric power is supplied to the piezoelectric element, and the piezoelectric element and the vibrating body vibrate to generate electric power in the electro-magnetic conversion element.
  • the vibrating body while the vibrating body vibrates, electric power continues to be generated in the electro-magnetic conversion element, so that the power supply to the piezoelectric element is intermittently performed and the power supply to the piezoelectric element is not performed. Even if there is, power generation by the electro-magnetic conversion element is performed during the period in which the vibrating body continues to vibrate.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power transmission device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a time chart of the pulse voltage applied to the electromagnetic coil and the vibration of the power receiving element in the first power transmission mode in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a time chart of the pulse voltage applied to the electromagnetic coil and the vibration of the power receiving element in the second power transmission mode in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power transmission device according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power transmission device according to the third embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power transmission device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power transmission device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a time chart of the pulse voltage applied to the electromagnetic coil and the vibration of the power receiving element in the first power transmission mode in the first embodiment.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 7 is a schematic side view showing the main part of the power receiving device in the first modification.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
  • FIG. 9 is a schematic perspective view showing a main part of the power receiving device in the second modification.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view in which a part of the power receiving device according to the second modification is enlarged.
  • FIG. 11 is a schematic side view illustrating a main part of the power receiving device according to the third modification.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power transmission device 1 according to the first embodiment.
  • the power transmission device 1 shown in FIG. 1 is a device that is used when power transmission is performed in a state in which the mobile phone is not directly electrically connected, such as charging a mobile phone.
  • the power transmission device 1 includes a power feeding device 10 and a power receiving device 20.
  • the power feeding device 10 and the power receiving device 20 are separable.
  • the power feeding device 10 is provided in the charger, and the power receiving device 20 is provided in the mobile phone.
  • the power feeding device 10 and the power receiving device 20 are arranged close enough to be electromagnetically coupled.
  • the power feeding device 10 and the power receiving device 20 may be fixed in a state where they are close enough to be electromagnetically coupled by using a holding member capable of temporarily fixing the relative position between the power feeding device 10 and the power receiving device 20. .
  • the power feeding device 10 and the power receiving device 20 are not necessarily arranged close to each other.
  • both the power feeding device 10 and the power receiving device 20 may be housed in one device that is inseparable.
  • the power feeding device 10 is a device for applying energy to the power receiving device 20.
  • the power feeding device 10 is a device for applying electromagnetic energy to the power receiving device 20.
  • the power feeding device 10 includes an electromagnetic coil 11 as a power feeding element, a detection mechanism 12 that detects vibration of the power receiving element 21 or a generated voltage in the piezoelectric element 24, and a control unit 13.
  • the electromagnetic coil 11 is an electro-magnetic conversion element.
  • the detection mechanism 12 can be comprised by an electromagnetic coil, a Hall element, a magnetoresistive element, etc., for example.
  • the power receiving device 20 is a device that converts energy (specifically, electromagnetic energy) applied by the power feeding device 10 into electric power.
  • the power receiving device 20 includes a power receiving element 21 supported by a housing 22 and a control unit 29.
  • the power receiving element 21 is a power transmission element.
  • the power receiving element 21 is arranged so as to be separated from the electromagnetic coil 11 as a power feeding element.
  • the power receiving element 21 includes a vibrating body 23.
  • the vibrating body 23 is configured by a plate-like diaphragm.
  • the shape of the vibrating body is not limited to the diaphragm.
  • the vibrating body 23 is not particularly limited as long as it has elasticity and can vibrate.
  • the vibrating body 23 can be formed of, for example, metal, ceramics, resin, or the like.
  • the vibrating body 23 includes a vibrating body main body 23a, a support portion 23b that supports the vibrating body main body 23a, and a magnetic member 23c.
  • the piezoelectric element 24 is mounted on the surface of one side of the vibrating portion 23a1 that is located inside the support portion 23b in the vibrating body main body 23a.
  • the piezoelectric element 24 includes a piezoelectric substrate 26 and first and second electrodes 25 and 27.
  • the piezoelectric substrate 26 can be formed of an appropriate piezoelectric body.
  • the piezoelectric substrate 26 can be formed of piezoelectric ceramics such as PZT (lead zirconate titanate) ceramics.
  • the first and second electrodes 25 and 27 sandwich the piezoelectric substrate 26.
  • the electromotive force generated in the piezoelectric substrate 26 is taken out from the first and second electrodes 25 and 27.
  • the first and second electrodes 25 and 27 can be formed of an appropriate conductive material.
  • the first and second electrodes 25 and 27 can be formed of, for example, a metal such as iron, copper, or aluminum, or an alloy such as stainless steel or duralumin.
  • the magnetic member 23c is attached on the surface opposite to the piezoelectric element 24 of the vibration part 23a1.
  • the magnetic member 23c is provided in the approximate center of the vibration part 23a1 in plan view.
  • the magnetic member 23c is opposed to the piezoelectric element 24 via the vibration part 23a1.
  • the magnetic member 23c is provided so as to be electromagnetically coupled to the electromagnetic coil 11 as a power feeding element during power transmission.
  • the magnetic member 23c can be formed of an appropriate magnetic material.
  • the magnetic member 23c can be formed of, for example, a metal such as iron or nickel, or an alloy containing iron or nickel.
  • the power feeding device 10 and the power receiving device 20 are arranged so that the magnetic member 23c and the electromagnetic coil 11 are electromagnetically coupled.
  • the control unit 13 applies a voltage to the electromagnetic coil 11.
  • the electromagnetic coil 11 and the magnetic member 23c are electromagnetically coupled.
  • the flexible vibrating portion 23a1 of the vibrating member 23 to which the magnetic member 23c and the magnetic member 23c are attached vibrates.
  • the piezoelectric element 24 also vibrates with the deformation caused by the vibration of the vibration part 23a1. As a result, distortion occurs in the piezoelectric substrate 26 of the piezoelectric element 24, and an electromotive force is generated in the piezoelectric element 24.
  • the power transmission device 1 when power is supplied to the electromagnetic coil 11 of the power feeding device 10, power is generated in the power receiving device 20 that is not electrically connected directly to the power feeding device 10. Thereby, electric power is transmitted.
  • movement of the power transmission apparatus 1 of this embodiment is explained in full detail later.
  • an electromotive force is generated in the piezoelectric element 24 when the vibrating body 23 vibrates due to electromagnetic energy supplied from the electromagnetic coil 11.
  • An electromotive force is generated in the piezoelectric element 24 during the period in which the vibrating body 23 vibrates due to the restoring force. For this reason, even if there is a period in which power is intermittently supplied to the electromagnetic coil 11 and power supply to the electromagnetic coil 11 is not performed, in the period in which the vibrating body 23 continues to vibrate. Then, power generation by the piezoelectric element 24 is performed. Therefore, by supplying power to the electromagnetic coil 11 again while the vibrating body 23 continues to vibrate, it is possible to continuously perform power transmission while intermittently supplying power to the electromagnetic coil 11.
  • the vibration of the piezoelectric element on the power feeding side is propagated as a sound wave to the piezoelectric element on the power receiving side, but in that case, it is necessary to match the acoustic impedance, resulting in a very large restriction. Further, when the vibration is propagated as a sound wave, the energy transmission efficiency is lowered, so that the power transmission efficiency is lowered. For this reason, when power transmission is performed using vibration propagation, it is necessary to directly contact the power feeding side piezoelectric element and the power receiving side piezoelectric element.
  • the electromagnetic coil 11 as the power feeding element and the power receiving element 21 are not in contact with each other. Therefore, the electromagnetic coil 11 and the power receiving element 21 are not easily damaged, and a long product life can be realized.
  • the shape of the contact surface of the power feeding side piezoelectric element and the contact of the power receiving side piezoelectric element needs to correspond. For this reason, for example, if the power receiving device 20 is different, it may be impossible to transmit power.
  • the power transmission device 1 can perform power transmission in a plurality of different modes.
  • FIG. 2 is a time chart of the pulse voltage applied to the electromagnetic coil and the vibration of the power receiving element in the first power transmission mode in the first embodiment.
  • the pulse voltage applied to the electromagnetic coil is indicated by a solid line
  • the vibration of the power receiving element is indicated by a one-dot chain line.
  • the first power transmission mode is a mode in which the power transmission efficiency is increased although the magnitude of the power generated in the power receiving device 20 is reduced.
  • Power transmission efficiency is the ratio of output power to input power ((output power) / (input power)).
  • the control unit 13 supplies power to the electromagnetic coil 11 intermittently. Specifically, as shown in FIG. 2, the control unit 13 periodically applies a pulse voltage to the electromagnetic coil 11. More specifically, the control unit 13 determines that the power supply cycle to the electromagnetic coil 11, that is, the pulse voltage application cycle T1, is the cycle of the first vibration of the power receiving element 21 when the pulse voltage is applied, that is, the power reception. A voltage is applied to the electromagnetic coil 11 so as to be longer than the reciprocal T2 of the resonance frequency of the element 21. The application period T1 of the pulse voltage applied to the electromagnetic coil 11 by the control unit 13 is equal to or shorter than the time required for the vibration of the power receiving element 21 to be completely attenuated.
  • control unit 13 controls the voltage intensity, the electric field direction, the application time length, the application cycle, and the like to vibrate the next pulse voltage until the vibration of the power receiving element 21 is completely attenuated. Apply. By doing in this way, electric power can be continuously transmitted with high electric power transmission efficiency, performing electric power supply intermittently.
  • FIG. 3 is a time chart of the pulse voltage applied to the electromagnetic coil and the vibration of the power receiving element in the second power transmission mode in the first embodiment.
  • the pulse voltage applied to the electromagnetic coil is indicated by a solid line
  • the vibration of the power receiving element is indicated by a one-dot chain line.
  • the second power transmission mode is a mode in which a large amount of power is generated in the power receiving device 20, although the power transmission efficiency is lower than that in the first power transmission mode.
  • the controller 13 causes the electromagnetic coil 11 to have the pulse voltage application period T1 equal to a value obtained by multiplying a half of the reciprocal T2 of the resonance frequency of the power receiving element 21 by a positive integer. Apply voltage to Further, when the application cycle T1 is equal to the value obtained by multiplying the reciprocal T2 by an even number, the sign of the applied electric field does not need to be changed in order to prevent the vibration from being attenuated. preferable. For this reason, the power receiving element 21 vibrates at the resonance frequency, and the magnitude of the electric power generated in the power receiving element 21 at this time is maximized.
  • the control unit 13 of the power feeding device 10 stores the specification of the power receiving device 20, it is easy to make the pulse voltage application cycle T 1 equal to the reciprocal T 2 of the resonance frequency of the power receiving element 21.
  • the control unit 13 does not store the specification of the power receiving device 20, the pulse voltage application period T 1 and the reciprocal T 2 of the resonance frequency of the power receiving element 21 cannot be immediately matched.
  • the control unit 13 first applies a pulse voltage having a predetermined period to the electromagnetic coil 11, and in this state, the detection mechanism 12 is caused to vibrate the power receiving element 21 or the generated voltage in the piezoelectric element 24. Is detected. And based on the result, the control part 13 adjusts the application period T1 of the pulse voltage to the electromagnetic coil 11 so that the vibration efficiency of the power receiving element 21 improves.
  • control unit 13 causes the detection mechanism 12 to detect the vibration of the power receiving element 21 or the generated voltage in the piezoelectric element 24 while changing the application period T1 of the pulse voltage to the electromagnetic coil 11. Based on the detection result, the control unit 13 detects the application period T1 of the pulse voltage that maximizes the amplitude of vibration of the power receiving element 21 or the generated voltage in the piezoelectric element 24. And the control part 13 applies the pulse voltage to the electromagnetic coil 11 with the application period T1 of the detected pulse voltage.
  • the control unit 29 of the power receiving device 20 applies a voltage to the piezoelectric element 24 to vibrate the vibrating body 23 when power transmission is not performed.
  • the power receiving device 20 can generate a sound or the power receiving device 20 itself can be vibrated.
  • the power receiving device 20 of the present embodiment also has a sound generation function and a vibrator function.
  • a mobile device such as a mobile phone, a smartphone, a PDA, or an electronic book terminal
  • a sound generation function or a vibrator function can be given to the mobile device. Therefore, there is no need to separately provide parts for providing a sound generation function and a vibrator function. Therefore, the number of parts of the portable device can be reduced and the size can be reduced.
  • the non-contact-type power transmission system of this embodiment does not require a terminal for power transmission. If the devices are provided with the power receiving device 20 and the power feeding device 10, the power can be widely and generally transmitted by arranging the power receiving device 20 and the power feeding device 10 to be electromagnetically coupled. For this reason, for example, it is possible to freely transmit power from a PDA rich in power to a mobile phone having insufficient power, and to solve the power shortage state.
  • the electromagnetic coil 11 is used as a power feeding element and the element including the piezoelectric element 24 and the vibrating body 23 is used as a power receiving element.
  • the electromagnetic coil 11 may be used as a power receiving element, and an element including the piezoelectric element 24 and the vibrating body 23 may be used as a power feeding element. In that case, electric power is applied to the piezoelectric element 24, and electric power is generated in the electromagnetic coil 11.
  • the present invention is not limited to this configuration. It is sufficient that at least a part of the vibrating body 23 is formed of a magnetic material.
  • the magnetic member 23c may not be provided, and the vibrating body main body 23a may be formed of a magnetic material.
  • the magnetic body may be composed of a magnet or the like, but may be composed of a magnetic generator such as an electromagnetic coil.
  • the power supply apparatus 10 is not limited to this configuration as long as it includes an electro-magnetic conversion element.
  • the power feeding device 10 may change the magnetic field by driving an elastic body 32 to which a permanent magnet 31 is attached by a piezoelectric element 33.
  • the power feeding device 10 illustrated in FIG. 5 includes an elastic body 32.
  • a piezoelectric element 33 is attached on one main surface of the elastic body 32.
  • a permanent magnet 31 is attached on the other main surface of the elastic body 32. By applying a voltage to the piezoelectric element 33, the elastic body 32 and the permanent magnet 31 vibrate together with the piezoelectric element 33. As a result, power transmission is performed.
  • the power feeding device 10 includes a disk-like member 52 having a central axis C.
  • the disk-shaped member 52 is connected to the actuator 53. With this actuator 53, the disk-like member 52 can rotate around the central axis C.
  • a permanent magnet 51 is attached to the surface of the disk-shaped member 52 on the power receiving device 20 side in an eccentric state. For this reason, when the actuator 53 is driven, the permanent magnet 51 turns around the central axis C. As a result, the magnetic field applied to the power receiving device 20 changes. As a result, power transmission is performed. Further, the permanent magnet 51 may be attached around the central axis C.
  • the permanent magnet 51 is applied to the power receiving device 20.
  • the magnetic field to be changed can be changed.
  • a magnetic field generation source (permanent magnet, electromagnetic coil, etc.) is provided in the vibration part 23a1 of the power receiving device 20. If arranged, it is possible to apply not only attractive force but also repulsive force between the permanent magnet 51 and the magnetic field generation source, so that the force for exciting the vibration part 23a1 of the power receiving device 20 is increased, and the power generation efficiency is increased. Is further enhanced.
  • FIG. 7 is a schematic side view showing the main part of the power receiving device in the first modification.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
  • the power receiving device 20 of the first modification includes a spiral piezoelectric body 40 having a central axis C.
  • a magnetic member 23 c is attached to one end of the spiral piezoelectric body 40, and the other end is attached to the housing 22.
  • first and second electrodes 25 and 27 are formed on the outer surface of the spiral piezoelectric body 40.
  • the first and second electrodes 25 and 27 and the helical piezoelectric body 40 constitute a piezoelectric element 24.
  • the magnetic field applied to the magnetic member 23c varies.
  • the helical piezoelectric body 40 expands and contracts, and electric power is generated by the piezoelectric element 24.
  • the helical piezoelectric body 40 also has a function as a vibrating body.
  • the vibrating body may be formed in a spiral shape.
  • the vibrating body may be formed integrally with the piezoelectric body.
  • the radius of the spiral piezoelectric body is r.
  • the pitch of the spiral piezoelectric body is 2 ⁇ a.
  • FIG. 9 is a schematic perspective view showing the main part of the power receiving device in the second modification.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view in which a part of the power receiving device according to the second modification is enlarged.
  • the power receiving device 20 includes a piezoelectric element 24 formed in a spiral shape.
  • the piezoelectric element 24 is spirally extended from the center toward the tangential direction orthogonal to the radial direction while gradually increasing the diameter.
  • the piezoelectric element 24 includes first and second piezoelectric substrates 26a and 26b, and first to third electrodes 41 to 43.
  • the first piezoelectric substrate 26 a is sandwiched between the first electrode 41 and the second electrode 42.
  • the second piezoelectric substrate 26 b is sandwiched between the second electrode 42 and the third electrode 43.
  • Both the polarization direction of the first piezoelectric substrate 26 a and the polarization direction of the second piezoelectric substrate 26 b are along the radial direction of the piezoelectric element 24.
  • the polarization direction of the first piezoelectric substrate 26a and the polarization direction of the second piezoelectric substrate 26b are opposite to each other.
  • the central end of the piezoelectric element 24 is connected to the housing 22.
  • the outer end of the piezoelectric element 24 is connected to the magnetic member 23c.
  • the magnetic field applied to the magnetic member 23c varies.
  • the first and second piezoelectric substrates 26 a and 26 b vibrate and electric power is generated by the piezoelectric element 24.
  • the piezoelectric element 24 also has a function as a vibrating body.
  • the vibrating body and the piezoelectric element 24 are integrally formed.
  • FIG. 11 is a schematic side view showing the main part of the power receiving device in the third modification.
  • the power receiving device 20 in the third modified example includes a plurality of piezoelectric elements 61a to 61c arranged at intervals along the direction H.
  • the piezoelectric element 61a and the piezoelectric element 61b are connected at the x1 side portion in the direction x, while the piezoelectric element 61b and the piezoelectric element 61c are connected at the x2 side portion in the direction x. Therefore, when viewed from the direction y perpendicular to the direction x and the direction H, the piezoelectric elements 61a to 61c are connected in a crank shape.
  • the magnetic member 23c is attached to the piezoelectric element 61c provided at the position farthest from the housing 22 in the direction H.
  • Each of the piezoelectric elements 61a to 61c is a bimorph type piezoelectric element having two piezoelectric substrates 62a and 62b. Although not shown, each of the piezoelectric elements 61a to 61c has a pair of electrodes for applying a voltage to the piezoelectric substrates 62a and 62b.
  • the arrows shown in FIG. 11 indicate the polarization directions of the piezoelectric substrates 62a and 62b.
  • the piezoelectric substrate 62a and the piezoelectric substrate 62b are polarized in directions opposite to each other in a direction parallel to the direction H.
  • the polarization directions of the piezoelectric substrates 62a and 62b are opposite to each other on the x1 side and the x2 side of the direction x. For this reason, when the magnetic force applied to the magnetic member 23c changes and the magnetic member 23c is displaced along the direction H, compressive stress or tensile stress is applied to the piezoelectric substrates 62a and 62b, and power generation is performed.
  • the piezoelectric element has a function as a vibrating body.
  • the vibrating body and the piezoelectric element are integrally formed. Note that the present invention does not deny power generation that occurs when the vibration of the vibrating body is excited by a disturbance such as vibration or impact applied from the outside.

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

　間欠的にエネルギーを付与された場合であっても継続的に電力を発生させ得る電力伝送素子を提供することにある。　電力伝送素子２１は、電気－磁気変換素子１１と共に、電力伝送装置１を構成する電力伝送素子である。電力伝送素子２１は、振動体２３と、圧電素子２４とを備えている。圧電素子２４は、振動体２３の上に取り付けられている。振動体２３の少なくとも一部は、磁性体からなる。

Description

電力伝送素子及び電力伝送装置
　本発明は、電力伝送素子及びそれを備える電力伝送装置に関する。特に、本発明は、圧電素子を用いた電力伝送素子及びそれを備える電力伝送装置に関する。
　従来、例えば下記の特許文献１～３などにおいて、電気的に直接接続することなく、電力の伝送を行う電力伝送装置が提案されている。
　具体的には、特許文献１，２においては、給電側圧電素子の振動を、受電側圧電素子において電力に変換することにより、給電側から受電側への電力の伝送を行う電力伝送装置が提案されている。
　また、特許文献３では、給電側コイルと、受電側コイルとが電磁結合することにより、受電側コイルに電力が誘起し、給電側から受電側へ電力の伝送が行われる電力伝送装置が提案されている。
ＷＯ００／３８２９６号公報 特開２００２－８４６８８号公報 特開平８－７９９７６号公報
　上記特許文献１，２に記載された圧電素子を利用した電力伝送装置では、給電側圧電素子の振動が受電側圧電素子に伝搬しているときにのみ受電側圧電素子において電力が発生する。このため、受電側圧電素子において継続的に電力を発生させるためには、給電側圧電素子への電力供給を継続的に行う必要がある。
　なお、給電側圧電素子と受電側圧電素子とを離間して配置した場合には、理論的には、間欠的なエネルギー付与により電力伝送を継続的に行い得ることとなる。しかしながら、それは、以下の理由により実質的に不可能である。すなわち、固体振動が空気伝搬することにより、別の固体振動を励起しようとしても、空気と固体とでは音響インピーダンスが大きく異なるため、固体－空気間のエネルギー伝達効率は非常に低い。従って、特許文献１，２に記載された圧電素子を利用した電力伝送装置では、給電側圧電素子と受電側圧電素子とを確実に接触させる必要がある。例えば、給電側圧電素子と受電側圧電素子とを、空間を介して配置した場合は、実質的にエネルギー伝送が行われないこととなる。よって、給電側圧電素子と受電側圧電素子とを離間して配置することはできない。従って、特許文献１，２の電力伝送装置では、間欠的なエネルギー付与により電力伝送を継続的に行い得ない。
　また、特許文献３に記載された電磁コイルを利用した電力伝送装置では、受電側コイルと給電側コイルとが電磁結合しているときにのみ受電側コイルにおいて電力が発生する。このため、受電側コイルにおいて継続的に電力を発生させるためには、給電側コイルへの電力供給を継続的に行う必要がある。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、間欠的にエネルギーが付与された場合であっても継続的に電力を発生させ得る電力伝送素子を提供することにある。
　本発明に係る電力伝送素子は、電気－磁気変換素子と共に、電力伝送装置を構成する電力伝送素子である。本発明に係る電力伝送素子は、振動体と、圧電素子とを備えている。圧電素子は、振動体の上に取り付けられている。振動体の少なくとも一部は、磁性体からなる。
　本発明に係る電力伝送素子のある特定の局面では、電力伝送素子は、電気－磁気変換素子から供給された電磁エネルギーにより振動体が振動することによって、圧電素子において電力を発生させる受電素子である。
　本発明に係る電力伝送素子の他の特定の局面では、電力伝送素子は、圧電素子が振動することにより、振動体が振動し、電気－磁気変換素子に電磁エネルギーを供給する給電素子である。
　本発明に係る電力伝送素子の別の特定の局面では、振動体は、振動体本体と、磁性部材とを有する。振動体本体は、第１及び第２の主面を有する。振動体本体の第１の主面の上に圧電素子が取り付けられている。磁性部材は、振動体本体の第２の主面の圧電素子と対向する部分の上に取り付けられている。
　本発明に係る電力伝送装置は、第１の電力伝送素子と、第２の電力伝送素子とを備えている。第１の電力伝送素子は、電気－磁気変換素子を有する。第２の電力伝送素子は、第１の電力伝送素子との間で電力の伝送を行う。第２の電力伝送素子は、振動体と、圧電素子とを備えている。圧電素子は、振動体の上に取り付けられている。振動体の少なくとも一部は、磁性体からなる。電力伝送時において、電気－磁気変換素子と、振動体の磁性体からなる少なくとも一部とは、電気－磁気変換素子と振動体の磁性体からなる少なくとも一部とが電磁結合するように配置される。
　本発明に係る電力伝送装置のある特定の局面では、電気－磁気変換素子と、第２の電力伝送素子とは、離間して配置されている。
　本発明に係る電力伝送装置の他の特定の局面では、電力伝送装置は、電気－磁気変換素子または圧電素子に間欠的に電力を供給する制御部をさらに備えている。この構成によれば、圧電素子に間欠的に電力を供給することにより、連続的に電力伝送を行い続け得る。従って、高いエネルギー効率で電力伝送を行うことができる。
　本発明に係る電力伝送装置の別の特定の局面では、制御部は、電気－磁気変換素子に間欠的に電力を供給するものである。制御部は、電気－磁気変換素子への電力供給周期が、第２の電力伝送素子の共振周波数の逆数よりも長くなるように電気－磁気変換素子に電力を供給する。
　本発明に係る電力伝送装置のさらに他の特定の局面では、電力伝送装置は、第２の電力伝送素子の振動または圧電素子における発電電圧を検出する検出部とをさらに備えている。制御部は、電気－磁気変換素子に間欠的に電力を供給する。制御部は、検出部の検出結果に基づいて、第２の電力伝送素子の振動効率が向上するように電気－磁気変換素子への電力供給周期を調整する。この構成によれば、電力伝送のエネルギー効率をより高めることができる。
　本発明に係る電力伝送装置のさらに別の特定の局面では、制御部は、電気－磁気変換素子に電力を供給する周期を変化させながら、検出部により第２の電力伝送素子の振動または圧電素子における発電電圧を検出させることにより、第２の電力伝送素子の振動の振幅または圧電素子における発電電圧が最大となる、電気－磁気変換素子への電力供給周期を検出し、当該電力供給周期で電気－磁気変換素子への電力供給を行う。この構成によれば、電力伝送のエネルギー効率をさらに高めることができる。
　本発明に係る電力伝送装置のさらにまた他の特定の局面では、制御部は、圧電素子に電圧を印加することにより振動体を振動させる。この構成によれば、例えば、電力伝送が行われていないときに、圧電素子をバイブレーターやスピーカーとして利用することができる。
　本発明では、電気－磁気変換素子と、磁性体からなる振動体の少なくとも一部との電磁結合により電力伝送が行われる。例えば、電気－磁気変換素子を給電側とした場合は、電気－磁気変換素子との電磁結合により振動体が振動する。その結果、圧電素子において電力が発生する。この場合、振動体が振動している間は、圧電素子において電力が発生し続けるため、電気－磁気変換素子への電力供給が間欠的に行われ、電気－磁気変換素子への電力供給が行われない期間があったとしても、当該期間のうち、振動体が振動し続けている期間においては、圧電素子による発電が行われることとなる。
　また、例えば、電気－磁気変換素子を受電側とした場合は、圧電素子に電力が供給され、圧電素子及び振動体が振動することにより、電気－磁気変換素子において電力が発生する。この場合、振動体が振動している間は、電気－磁気変換素子において電力が発生し続けるため、圧電素子への電力供給が間欠的に行われ、圧電素子への電力供給が行われない期間があったとしても、当該期間のうち、振動体が振動し続けている期間においては、電気－磁気変換素子による発電が行われることとなる。
　従って、本発明では、間欠的にエネルギーを付与された場合であっても継続的に電力を発生させ得る。
図１は、第１の実施形態に係る電力伝送装置の構成を表す模式図である。 図２は、第１の実施形態における第１の電力伝送モードにおける電磁コイルに印加するパルス電圧と、受電素子の振動とのタイムチャートである。 図３は、第１の実施形態における第２の電力伝送モードにおける電磁コイルに印加するパルス電圧と、受電素子の振動とのタイムチャートである。 図４は、第２の実施形態に係る電力伝送装置の構成を表す模式図である。 図５は、第３の実施形態に係る電力伝送装置の構成を表す模式図である。 図６は、第４の実施形態に係る電力伝送装置の構成を表す模式図である。 図７は、第１の変形例における受電装置の要部を表す略図的側面図である。 図８は、図７の線ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩにおける略図的断面図である。 図９は、第２の変形例における受電装置の要部を表す略図的斜視図である。 図１０は、第２の変形例における受電装置の一部分を拡大した略図的斜視図である。 図１１は、第３の変形例における受電装置の要部を表す略図的側面図である。
　以下、本発明を実施した好ましい形態について、図１及び図４に示す電力伝送装置１，２を例に挙げて説明する。但し、電力伝送装置１，２は単なる例示である。本発明は、これら電力伝送装置１，２に何ら限定されない。
　（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係る電力伝送装置１の構成を表す模式図である。
　図１に示す電力伝送装置１は、例えば、携帯電話機の充電など、電気的に直接接続されていない状態で電力伝送を行う場合に使用される装置である。電力伝送装置１は、給電装置１０と、受電装置２０とを備えている。
　給電装置１０と受電装置２０とは、分離可能である。例えば、電力伝送装置１が携帯電話機の充電システムに適用される場合は、給電装置１０が充電器内に設けられ、受電装置２０が携帯電話機内に設けられる。携帯電話機を充電するときには、給電装置１０と受電装置２０とが電磁結合可能な程度に近接して配置される。なお、給電装置１０と受電装置２０との相対位置を一時的に固定可能な保持部材を用いて、給電装置１０と受電装置２０とが電磁結合可能な程度に近接した状態で固定してもよい。携帯電話機を充電していないときには、給電装置１０と受電装置２０が近接して配置されている必要は必ずしもない。
　もっとも、給電装置１０と受電装置２０との両方が、一体不可分である一つの装置内に収納されていてもよい。
　給電装置１０は、受電装置２０にエネルギーを付与するための装置である。具体的には、本実施形態では、給電装置１０は、受電装置２０に電磁エネルギーを付与するための装置である。給電装置１０は、給電素子としての電磁コイル１１と、受電素子２１の振動または圧電素子２４における発電電圧を検出する検出機構１２と、制御部１３とを備えている。電磁コイル１１は、電気－磁気変換素子である。なお、検出機構１２は、例えば、電磁コイル、ホール素子、磁気抵抗素子などにより構成することができる。
　一方、受電装置２０は、給電装置１０により付与されたエネルギー（具体的には、電磁エネルギー）を電力に変換する装置である。受電装置２０は、筐体２２により支持された受電素子２１と、制御部２９とを備えている。受電素子２１は、電力伝送素子である。
　電力伝送時において、受電素子２１は、給電素子としての電磁コイル１１から離間するように配置されている。受電素子２１は、振動体２３を備えている。本実施形態では、振動体２３は、板状の振動板により構成されている。もっとも、本発明において、振動体の形状は、振動板に限定されない。
　振動体２３は、弾性を有し、振動可能なものであれば特に限定されない。振動体２３は、例えば、金属、セラミックス、樹脂などにより形成することができる。
　振動体２３は、振動体本体２３ａと、振動体本体２３ａを支持している支持部２３ｂと、磁性部材２３ｃとを有する。平面視において、振動体本体２３ａのうち、支持部２３ｂの内側に位置しており、振動する振動部２３ａ１の一方側の表面の上には、圧電素子２４が取り付けられている。圧電素子２４は、圧電基板２６と、第１及び第２の電極２５，２７とを有する。
　圧電基板２６は、適宜の圧電体により形成することができる。圧電基板２６は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系セラミックスなどの圧電セラミックスにより形成することができる。
　第１及び第２の電極２５，２７は、圧電基板２６を挟持している。圧電基板２６において生じた起電力は、この第１及び第２の電極２５，２７から取り出される。第１及び第２の電極２５，２７は、適宜の導電材料により形成することができる。第１及び第２の電極２５，２７は、例えば、鉄、銅、アルミニウムなどの金属、ステンレスやジュラルミンなどの合金により形成することができる。
　磁性部材２３ｃは、振動部２３ａ１の圧電素子２４とは反対側の表面の上に取り付けられている。磁性部材２３ｃは、平面視において、振動部２３ａ１の略中央に設けられている。磁性部材２３ｃは、振動部２３ａ１を介して圧電素子２４と対向している。磁性部材２３ｃは、電力伝送時において、給電素子としての電磁コイル１１と電磁結合するように設けられている。
　磁性部材２３ｃは、適宜の磁性体により形成することができる。磁性部材２３ｃは、例えば、鉄やニッケルなどの金属、鉄やニッケルなどを含む合金により形成することができる。
　次に、本実施形態の電力伝送装置１における電力伝送の概略について説明する。
　電力伝送を行う場合、磁性部材２３ｃと電磁コイル１１とが電磁結合するように、給電装置１０と受電装置２０とが配置される。その状態において、制御部１３は、電磁コイル１１に電圧を印加する。これにより、電磁コイル１１と磁性部材２３ｃとが電磁結合する。その結果、磁性部材２３ｃ及び磁性部材２３ｃが取り付けられている振動体２３の可撓性を有する振動部２３ａ１が振動する。振動部２３ａ１の振動による変形に伴い、圧電素子２４も振動する。これにより、圧電素子２４の圧電基板２６に歪みが生じ、圧電素子２４において起電力が生じる。
　このように、電力伝送装置１においては、給電装置１０の電磁コイル１１に電力を供給すると、給電装置１０とは電気的に直接接続されていない受電装置２０において電力が発生する。これにより電力が伝送される。なお、本実施形態の電力伝送装置１の詳細な動作については、後に詳述する。
　本実施形態の電力伝送装置１においては、電磁コイル１１から供給される電磁エネルギーにより振動体２３が振動することにより圧電素子２４において起電力が生じる。そして、振動体２３が復元力によって振動している期間においては、圧電素子２４において起電力が生じる。このため、電磁コイル１１に間欠的に電力を供給し、電磁コイル１１への電力供給が行われない期間が生じたとしても、その期間のうち、振動体２３が振動し続けている期間においては、圧電素子２４による発電が行われる。従って、振動体２３が振動し続けている間に再度電磁コイル１１へ電力を供給することにより、電磁コイル１１への電力供給を間欠的に行いつつ、電力伝送を連続的に行うことができる。
　ところで、例えば、給電側圧電素子により発生させた振動を受電側圧電素子により電気エネルギーに変換することにより電力伝送を行う場合は、給電側圧電素子で発生した振動を受電側圧電素子に伝搬する必要がある。
　例えば、給電側圧電素子の振動を音波として受電側圧電素子に伝搬することも考えられるが、その場合は音響インピーダンスを整合させる必要があり、非常に大きな制約が生じる。また、振動を音波として伝搬させた場合は、エネルギーの伝搬効率が低くなるため、電力伝送効率が低下してしまう。このため、振動伝搬を利用して電力伝送を行う場合は、給電側圧電素子と受電側圧電素子とを直接接触させる必要がある。
　しかしながら、給電側圧電素子と受電側圧電素子とを直接接触させた場合は、給電側圧電素子の振動が停止すると、受電側圧電素子の振動が給電側圧電素子による質量負荷により減衰しやすい。このため、本実施形態の電力伝送装置１とは異なり、給電側圧電素子に電力を供給していないときは、実質的に電力伝送が行われない。
　また、給電側圧電素子と受電側圧電素子とが接触することにより、これら圧電素子が経時的に劣化しやすい。
　それに対して、本実施形態の電力伝送装置１では、給電素子としての電磁コイル１１と受電素子２１とは非接触である。従って、電磁コイル１１及び受電素子２１が損傷しにくく、長い製品寿命を実現することができる。
　また、例えば、給電側圧電素子により発生させた振動を受電側圧電素子により電気エネルギーに変換することにより電力伝送を行う場合は、給電側圧電素子の接触面の形状と、受電側圧電素子の接触面の形状とが対応している必要がある。このため、例えば、受電装置２０が異なると、電力伝送できなくなる場合がある。
　それに対して、本実施形態では、受電装置２０に受電素子２１が存在する限り、受電装置２０の形状等の制約はなく、給電素子としての電磁コイル１１により種々の受電装置２０に電力伝送することができる。
　次に、本実施形態の電力伝送装置１における電力伝送の詳細について説明する。
　電力伝送装置１では、異なる複数のモードでの電力伝送が可能である。
　（第１の電力伝送モード）
　図２は、第１の実施形態における第１の電力伝送モードにおける電磁コイルに印加するパルス電圧と、受電素子の振動とのタイムチャートである。図２では、電磁コイルに印加するパルス電圧を実線で示し、受電素子の振動を１点鎖線で示す。
　この第１の電力伝送モードは、受電装置２０において生じる電力の大きさが小さくなるものの、電力伝送効率が高くなるモードである。なお、「電力伝送効率」とは、入力した電力に対する出力された電力の比（（出力された電力）／（入力した電力））である。
　第１の電力伝送モードでは、制御部１３は、電磁コイル１１に間欠的に電力を供給する。具体的には、図２に示すように、制御部１３は、パルス電圧を定期的に電磁コイル１１に印加する。より詳細には、制御部１３は、電磁コイル１１への電力供給周期、すなわち、パルス電圧の印加周期Ｔ１が、パルス電圧を印加したときの受電素子２１の１回目の振動の周期、すなわち、受電素子２１の共振周波数の逆数Ｔ２よりも長くなるように、電磁コイル１１に電圧を印加する。また、制御部１３が電磁コイル１１に印加するパルス電圧の印加周期Ｔ１は、受電素子２１の振動が完全に減衰しきるのに要する時間以下である。すなわち、制御部１３は、受電素子２１の振動が完全に減衰してしまうまでに、振動を加振する電圧強度、電界方向、印加時間長さ及び印加周期などを制御しながら次のパルス電圧を印加する。このようにすることで、電力供給を間欠的に行いながら、高い電力伝送効率で連続的に電力伝送を行うことができる。
　（第２の電力伝送モード）
　図３は、第１の実施形態における第２の電力伝送モードにおける電磁コイルに印加するパルス電圧と、受電素子の振動とのタイムチャートである。図３では、電磁コイルに印加するパルス電圧を実線で示し、受電素子の振動を１点鎖線で示す。
　この第２の電力伝送モードは、第１の電力伝送モードよりも電力伝送効率は低くなるものの受電装置２０において大きな電力を発生させるときのモードである。
　第２の電力伝送モードでは、制御部１３は、パルス電圧の印加周期Ｔ１が、受電素子２１の共振周波数の逆数Ｔ２の二分の一に正の整数を乗じた値と等しくなるように電磁コイル１１に電圧を印加する。さらに、印加周期Ｔ１が逆数Ｔ２に偶数を乗じた値と等しいときは、振動の減衰を防ぐために印加電界の正負の符号を変えなくともよいので制御部および電気回路が簡略になる効果があり、好ましい。このため、受電素子２１は、共振周波数で振動することとなり、このときに受電素子２１において発生する電力の大きさが最大となる。
　例えば、給電装置１０の制御部１３が受電装置２０の仕様をメモリしている場合は、パルス電圧の印加周期Ｔ１を受電素子２１の共振周波数の逆数Ｔ２と等しくすることは容易である。しかしながら、制御部１３が受電装置２０の仕様をメモリしていない場合は、パルス電圧の印加周期Ｔ１と、受電素子２１の共振周波数の逆数Ｔ２とを直ちに一致させることはできない。
　本実施形態においては、制御部１３は、まず、予め定められた周期のパルス電圧を電磁コイル１１に印加し、その状態で、検出機構１２に、受電素子２１の振動または圧電素子２４における発電電圧を検出させる。そして、制御部１３は、その結果に基づいて、受電素子２１の振動効率が向上するように電磁コイル１１へのパルス電圧の印加周期Ｔ１を調整する。
　または、制御部１３は、電磁コイル１１へのパルス電圧の印加周期Ｔ１を変化させながら、検出機構１２に、受電素子２１の振動または圧電素子２４における発電電圧を検出させる。制御部１３は、その検出結果に基づいて、受電素子２１の振動の振幅または圧電素子２４における発電電圧が最大となるパルス電圧の印加周期Ｔ１を検出する。そして、制御部１３は、その検出したパルス電圧の印加周期Ｔ１で電磁コイル１１へのパルス電圧を印加する。
　従って、本実施形態では、給電装置１０の制御部１３が受電装置２０の仕様をメモリしていない場合であっても、高い電力伝送効率で電力伝送を行うことができる。
　（電力伝送装置１の電力伝送以外の機能）
　また、本実施形態では、電力伝送を行っていないときにおいて、受電装置２０の制御部２９は、圧電素子２４に電圧を印加することにより、振動体２３を振動させる。これにより、例えば、受電装置２０に発音させたり、受電装置２０自体を振動させたりすることができる。すなわち、本実施形態の受電装置２０は、発音機能やバイブレーター機能を兼ね備えている。このため、本実施形態の受電装置２０を例えば携帯電話機、スマートフォン、ＰＤＡ、電子書籍端末などの携帯機器に取り付けることにより、携帯機器に発音機能やバイブレーター機能を付与することができる。よって、発音機能やバイブレーター機能を付与するための部品を別途設ける必要がない。従って、携帯機器の部品点数の削減や、小型化を図ることができる。
　また、接触式の電力伝送システムとは異なり、非接触式の本実施形態の電力伝送システムでは、電力伝送のための端子等が必要ではない。受電装置２０や給電装置１０を備えた機器同士であれば、受電装置２０と給電装置１０とが電磁結合するように配置することにより、広く一般的に電力を伝送することができる。このため、例えば、電力が不足している携帯電話機に、電力が豊富なＰＤＡから電力を自由に伝送でき、電力不足状態を解消することができる。
　上記第１の実施形態では、電磁コイル１１を給電素子として用い、圧電素子２４及び振動体２３からなる素子を受電素子として用いる例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。電磁コイル１１を受電素子として用い、圧電素子２４及び振動体２３からなる素子を給電素子として用いてもよい。その場合は、圧電素子２４に電力が付与され、電磁コイル１１において電力が生成する。
　また、上記第１の実施形態では、振動体本体２３ａと磁性部材２３ｃとを別個に設ける例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。振動体２３の少なくとも一部が磁性体により形成されていればよい。例えば、図４に示す電力伝送装置２のように、磁性部材２３ｃを設けず、振動体本体２３ａを磁性体により形成してもよい。
　なお、本発明において、磁性体には、電気エネルギーを付与することにより磁性体となり得るものも含まれるものとする。すなわち、磁性体は、磁石などにより構成されていてもよいが、例えば電磁コイルなどの磁性発生装置により構成されていてもよい。
　（給電装置のバリエーション）
　上記第１の実施形態では、電磁コイル１１を備える給電装置１０を用いた例について説明した。但し、給電装置１０は、電気－磁気変換素子を備えるものである限りにおいて、この構成に限定されない。例えば、図５に示すように、給電装置１０は、永久磁石３１が取り付けられた弾性体３２を圧電素子３３により駆動することにより磁界を変化させるものであってもよい。具体的には、図５に示す給電装置１０は、弾性体３２を備えている。弾性体３２の一方の主面の上には、圧電素子３３が取り付けられている。圧電素子３３の構成は、上記第１の実施形態における圧電素子２４と実質的に同じであるため、第１の実施形態の記載を援用し、ここでは詳細な説明を省略するものとする。一方、弾性体３２の他方の主面の上には、永久磁石３１が取り付けられている。圧電素子３３に電圧が印加されることにより、圧電素子３３と共に弾性体３２及び永久磁石３１が振動する。その結果、電力伝送が行われる。
　また、図６に示す例では、給電装置１０は、中心軸Ｃを有する円板状部材５２を備えている。円板状部材５２は、アクチュエータ５３に接続されている。このアクチュエータ５３により、円板状部材５２は、中心軸Ｃを中心に回転可能となっている。円板状部材５２の受電装置２０側の表面には、永久磁石５１が偏心した状態で取り付けられている。このため、アクチュエータ５３が駆動されると、永久磁石５１が中心軸Ｃを中心として旋回する。これにより、受電装置２０に付与される磁界が変化する。その結果、電力伝送が行われる。また、永久磁石５１が中心軸Ｃを中心に取り付けられてもよく、この場合は、永久磁石５１の磁化方向と中心軸Ｃの方向とが互いに傾いて配置されれば、受電装置２０に付与される磁界を変化させることができる。ここで、永久磁石５１が偏心して取り付けられている場合、永久磁石５１の磁化方向が傾けられる場合のいずれにおいても、受電装置２０の振動部２３ａ１に磁界発生源（永久磁石、電磁コイルなど）が配置されれば、永久磁石５１と磁界発生源との間に、引力だけでなく斥力も作用させることが可能になるため、受電装置２０の振動部２３ａ１を加振する力が大きくなり、発電効率がより高められる。
　（振動体のバリエーション）
　上記第１の実施形態では、振動体２３が板状に形成されている例について説明した。但し、本発明において、振動体の形状は、特に限定されない。以下、振動体の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
　図７は、第１の変形例における受電装置の要部を表す略図的側面図である。図８は、図７の線ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩにおける略図的断面図である。
　図７及び図８に示すように、第１の変形例の受電装置２０は、中心軸Ｃを有する螺旋状圧電体４０を備えている。螺旋状圧電体４０の一方側の端部には、磁性部材２３ｃが取り付けられており、他方側の端部は、筐体２２に取り付けられている。螺旋状圧電体４０の外側の表面の上には、第１及び第２の電極２５，２７が形成されている。これら第１及び第２の電極２５，２７と螺旋状圧電体４０とにより圧電素子２４が構成されている。
　本変形例では、給電装置１０に電力が供給されることにより、磁性部材２３ｃに付与される磁界が変動する。これにより、螺旋状圧電体４０が伸縮し、圧電素子２４により電力が発生する。
　本変形例では、螺旋状圧電体４０が、振動体としての機能を兼ね備えている。このように、振動体は、螺旋状に形成されていてもよい。また、振動体は、圧電体と一体に形成されていてもよい。
　なお、「螺旋状」とは、円柱座標系（ｒ，θ，ｚ）でｒ＝定数またはｆ（ｚ），ｚ＝ａθで表される形状のことをいう。なお、ｆ（ｚ）は、ｚの関数である。螺旋状圧電体の半径は、ｒとなる。螺旋状圧電体のピッチは、２πａとなる。
　図９は、第２の変形例における受電装置の要部を表す略図的斜視図である。図１０は、第２の変形例における受電装置の一部分を拡大した略図的斜視図である。
　第２の変形例では、図９及び図１０に示すように、受電装置２０は、渦巻き状に形成された圧電素子２４を備えている。圧電素子２４は、中心から、徐々に拡径しつつ、半径方向と直交する接線方向に向かって螺旋状に延びている。図１０に示すように、圧電素子２４は、第１及び第２の圧電基板２６ａ，２６ｂと、第１～第３の電極４１～４３とを備えている。第１の圧電基板２６ａは、第１の電極４１及び第２の電極４２により挟持されている。第２の圧電基板２６ｂは、第２の電極４２及び第３の電極４３により挟持されている。第１の圧電基板２６ａの分極方向と、第２の圧電基板２６ｂの分極方向とは、共に、圧電素子２４の半径方向に沿っている。第１の圧電基板２６ａの分極方向と、第２の圧電基板２６ｂの分極方向とは、互いに逆方向となっている。
　図９に示すように、圧電素子２４の中央側の端部は、筐体２２に接続されている。一方、圧電素子２４の外側の端部は、磁性部材２３ｃに接続されている。このため、本変形例においても、給電装置１０に電力が供給されることにより、磁性部材２３ｃに付与される磁界が変動する。これにより、第１及び第２の圧電基板２６ａ，２６ｂが振動し、圧電素子２４により電力が発生する。
　なお、本変形例においても、上記第１の変形例と同様に、圧電素子２４が振動体としての機能を兼ね備えている。換言すれば、振動体と圧電素子２４とが一体に形成されている。
　図１１は、第３の変形例における受電装置の要部を表す略図的側面図である。
　図１１に示すように、第３の変形例における受電装置２０は、方向Ｈに沿って相互に間隔をおいて配列された複数の圧電素子６１ａ～６１ｃを備えている。圧電素子６１ａと圧電素子６１ｂとは、方向ｘのｘ１側部分で接続されている一方、圧電素子６１ｂと圧電素子６１ｃとは、方向ｘのｘ２側部分で接続されている。このため、方向ｘ及び方向Ｈのそれぞれに対して垂直な方向ｙから観たときに、圧電素子６１ａ～６１ｃは、クランク状に接続されている。本変形例においては、方向Ｈにおいて筐体２２から最も離れた位置に設けられている圧電素子６１ｃに磁性部材２３ｃが取り付けられている。
　圧電素子６１ａ～６１ｃのそれぞれは、２つの圧電基板６２ａ，６２ｂを有するバイモルフ型の圧電素子である。なお、図示は省略しているが、圧電素子６１ａ～６１ｃのそれぞれは、圧電基板６２ａ，６２ｂに電圧を印加する一対の電極を有している。
　図１１に示す矢印は、圧電基板６２ａ，６２ｂの分極方向を示している。圧電素子６１ａ～６１ｃのそれぞれにおいて、圧電基板６２ａと圧電基板６２ｂとは、方向Ｈに平行な方向であって、互いに逆方向に分極されている。また、圧電基板６２ａ，６２ｂのそれぞれの分極方向は、方向ｘのｘ１側とｘ２側とで逆方向となっている。このため、磁性部材２３ｃに付与されている磁力が変化し、磁性部材２３ｃが方向Ｈに沿って変位すると、圧電基板６２ａ，６２ｂに圧縮応力または引張応力が付与され、発電が行われる。
　なお、本変形例においても、上記第１，２の変形例と同様に、圧電素子が振動体としての機能を兼ね備えている。換言すれば、振動体と圧電素子とが一体に形成されている。なお、本発明では、外部から加わる振動や衝撃などの外乱によって振動体の振動が励起されて生じる発電を否定しない。
１，２…電力伝送装置
１０…給電装置
１１…電磁コイル
１２…検出機構
１３…制御部
２０…受電装置
２１…受電素子
２２…筐体
２３…振動体
２３ａ…振動体本体
２３ａ１…振動部
２３ｂ…支持部
２３ｃ…磁性部材
２４…圧電素子
２５…第１の電極
２６，２６ａ，２６ｂ…圧電基板
２７…第２の電極
２９…制御部
３１…永久磁石
３２…弾性体
３３…圧電素子
４０…螺旋状圧電体
４１…第１の電極
４２…第２の電極
４３…第３の電極
５１…永久磁石
５２…円板状部材
５３…アクチュエータ
６１ａ～６１ｃ…圧電素子
６２ａ，６２ｂ…圧電基板

Claims (11)

  1. 　電気－磁気変換素子と共に、電力伝送装置を構成する電力伝送素子であって、
    　振動体と、
    　前記振動体の上に取り付けられた圧電素子とを備え、
    　前記振動体の少なくとも一部は、磁性体からなる、電力伝送素子。
  2. 　前記電気－磁気変換素子から供給された電磁エネルギーにより前記振動体が振動することによって、前記圧電素子において電力を発生させる受電素子である、請求項１に記載の電力伝送素子。
  3. 　前記圧電素子が振動することにより、前記振動体が振動し、前記電気－磁気変換素子に電磁エネルギーを供給する給電素子である、請求項１に記載の電力伝送素子。
  4. 　前記振動体は、第１及び第２の主面を有し、前記圧電素子が前記第１の主面の上に取り付けられている振動体本体と、前記振動体本体の前記第２の主面の前記圧電素子と対向する部分の上に取り付けられている磁性部材とを有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の電力伝送素子。
  5. 　電気－磁気変換素子を有する第１の電力伝送素子と、
    　前記第１の電力伝送素子との間で電力の伝送を行う第２の電力伝送素子とを備え、
    　前記第２の電力伝送素子は、
    　振動体と、
    　前記振動体の上に取り付けられた圧電素子とを備え、
    　前記振動体の少なくとも一部は、磁性体からなり、
    　電力伝送時において、前記電気－磁気変換素子と、前記振動体の磁性体からなる少なくとも一部とは、前記電気－磁気変換素子と前記振動体の磁性体からなる少なくとも一部とが電磁結合するように配置される、電力伝送装置。
  6. 　前記電気－磁気変換素子と、前記第２の電力伝送素子とは、離間して配置されている、請求項５に記載の電力伝送装置。
  7. 　前記電気－磁気変換素子または前記圧電素子に間欠的に電力を供給する制御部をさらに備える、請求項５または６に記載の電力伝送装置。
  8. 　前記制御部は、前記電気－磁気変換素子に間欠的に電力を供給するものであり、
    　前記制御部は、前記電気－磁気変換素子への電力供給周期が、前記第２の電力伝送素子の共振周波数の逆数よりも長くなるように前記電気－磁気変換素子に電力を供給する、請求項７に記載の電力伝送装置。
  9. 　前記第２の電力伝送素子の振動または前記圧電素子における発電電圧を検出する検出部とをさらに備え、
    　前記制御部は、前記電気－磁気変換素子に間欠的に電力を供給するものであり、
    　前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づいて、前記第２の電力伝送素子の振動効率が向上するように前記電気－磁気変換素子への電力供給周期を調整する、請求項７に記載の電力伝送装置。
  10. 　前記制御部は、前記電気－磁気変換素子に電力を供給する周期を変化させながら、前記検出部により前記第２の電力伝送素子の振動または前記圧電素子における発電電圧を検出させることにより、前記第２の電力伝送素子の振動の振幅または前記圧電素子における発電電圧が最大となる、前記電気－磁気変換素子への電力供給周期を検出し、当該電力供給周期で前記電気－磁気変換素子への電力供給を行う、請求項９に記載の電力伝送装置。
  11. 　前記制御部は、前記圧電素子に電圧を印加することにより前記振動体を振動させる、請求項７～１０に記載の電力伝送装置。
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