JP6135679B2 - ワイヤレス電力伝送装置 - Google Patents

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Description

本発明は、非接触方式で電力を伝送するワイヤレス電力伝送装置に関する。
代表的なワイヤレス電力伝送装置として、送電装置の一次コイルから受電装置の二次コイルへ磁界を利用して電力を伝送する磁界結合方式の電力伝送装置が知られている。このワイヤレス電力伝送装置では、磁界結合で電力を伝送する場合、各コイルを通る磁束の大きさが起電力に大きく影響するため、一次コイルと二次コイルとの相対位置関係に高い精度が要求される。また、コイルを利用するため、装置の小型化が難しい。
一方、特許文献1に開示されているような電界結合方式のワイヤレス電力伝送装置も知られている。このワイヤレス電力伝送装置では、送電装置の結合電極から受電装置の結合電極に電界を介して電力が伝送される。この方式は、結合電極の相対位置精度が磁界結合方式よりも緩く、また、結合電極の小型化及び薄型化が可能である。
このような電界結合方式の電力伝送装置は、基本構成として図8の構成からなる。
図8は、一般的な電界結合方式の電力伝送装置の基本構成を示す図である。一般的な電界結合方式の電力伝送装置は、送電装置100および受電装置200を備える。
送電装置100は、送電モジュール(送電回路)910、送電側アクティブ電極920および送電側パッシブ電極930を備える。送電モジュール910には、送電側アクティブ電極920と送電側パッシブ電極930とが接続されている。送電モジュール910には、送電モジュールに電力を供給する交流電源(図示せず)が接続されている。
受電装置200は、受電モジュール(受電回路)810、受電側アクティブ電極820および受電側パッシブ電極830を備える。受電モジュール810には、受電モジュールから電力を供給する負荷回路(図示せず)が接続されている。
送電装置100から電力を送電する場合、受電装置200は、受電側アクティブ電極820と送電側アクティブ電極920とが対向し、受電側パッシブ電極830と送電側パッシブ電極930とが対向するように、送電装置100に対して配置される。
このように受電装置200を送電装置100に配置することで、受電側アクティブ電極820と送電側アクティブ電極920とでアクティブ側の結合容量(キャパシタ)が構成され、受電側パッシブ電極830と送電側パッシブ電極930とでパッシブ側の結合容量(キャパシタ)が構成される。この結合容量を介して、高電圧の交流電流を供給することで、送電装置100から受電装置200への電力伝送を実現する。
特表2009−531009号公報
電界結合方式のワイヤレス電力伝送装置は、送電装置の結合電極と受電装置の結合電極との間(以下、電極間という。)の静電容量値を大きくとることで当該ワイヤレス電力伝送装置全体の結合係数を高め、効率の高い電力伝送を実現する必要がある。
しかしながら、特許文献1に開示されているワイヤレス電力伝送装置は、電極間の樹脂を所定以上の厚みとしているため、大きな静電容量値を確保することが困難であった。それは、電極間の樹脂を薄くして電極間の距離を近づけすぎると絶縁距離が確保できず、電極間で放電が発生する危険性があるからである。
そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑み、電極間の静電容量値を大きく確保することができるとともに電極間での放電を抑制することができるワイヤレス電力伝送装置を提供することにある。
本発明に係るワイヤレス電力伝送装置は、送電装置および受電装置を備える。送電装置は、第1アクティブ電極、第1パッシブ電極ならびにこの第1アクティブ電極およびこの第1パッシブ電極に接続され交流電圧を供給する送電回路を備える。受電装置は、第1アクティブ電極と結合する第2アクティブ電極、第1パッシブ電極と結合する第2パッシブ電極ならびにこの第2アクティブ電極およびこの第2パッシブ電極に接続され負荷回路へ電力を供給する受電回路を備える。
また、本発明に係るワイヤレス電力伝送装置は、第1絶縁性樹脂および第1導電性樹脂を備える。第1絶縁性樹脂は、平板状に形成されている。第1導電性樹脂は、この第1絶縁性樹脂の第1平面側に配される。
第1パッシブ電極は、第1絶縁性樹脂の第1平面側に配される。第2パッシブ電極は、第1絶縁性樹脂の第2平面側において第1パッシブ電極と対向するように配される。第1アクティブ電極は、第1導電性樹脂を介して、第1絶縁性樹脂の第1平面側に配される。第2アクティブ電極は、第1絶縁性樹脂の第2平面側において第1アクティブ電極と対向するように配される。
この構成では、第1絶縁性樹脂と第1アクティブ電極との間に第1導電性樹脂が配されているため、第1絶縁性樹脂と第1アクティブ電極との間の距離が確保される。すなわち、第1アクティブ電極と第2アクティブ電極との間の距離が確保される。したがって、第1アクティブ電極と第2アクティブ電極との間で放電が発生することを抑制することができる。
また、この構成では、第1導電性樹脂は所定の導電性を有するため、静電容量素子として考えた場合、第1導電性樹脂は、第1アクティブ電極の一部と考えることができる。すなわち、第1アクティブ電極と第2アクティブ電極との電極間距離は、実質的に第1絶縁性樹脂の厚みのみであるので、静電容量を発生させる電極間距離が実質的に短くなる。したがって、第1アクティブ電極と第2アクティブ電極との間で大きな静電容量を発生させることができるため、放電が発生することを抑制しつつも第1アクティブ電極と第2アクティブ電極との間の電力伝送効率を上げることができる。
本発明に係るワイヤレス電力伝送装置は、電極間の静電容量値を大きく確保することができるとともに電極間での放電を抑制することができる。
本発明の第1実施形態に係る送電装置および受電装置の構成を示す正面断面図である。 本発明の第1実施形態に係る送電装置の構成を示す底面図である。 本発明の第2実施形態に係る送電装置および受電装置の構成を示す正面断面図である。 本発明の第3実施形態に係る送電装置および受電装置の構成を示す正面断面図である。 本発明の第4実施形態に係る送電装置および受電装置の構成を示す正面断面図である。 本発明の第5実施形態に係る送電装置および受電装置の構成を示す正面断面図である。 本発明の第6実施形態に係る送電装置および受電装置の構成を示す正面断面図である。 一般的な電界結合方式の電力伝送装置の基本構成を示す図である。
以下、本発明の実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
まず、本発明の第1実施形態について説明する。
図1は、送電装置および受電装置の構成を示す正面断面図である。図2は、送電装置の構成を示す底面図である。なお、各図においては、電極パターンのみを記載している。また、交流電源や負荷回路などの構成は図8と同様であるので省略している。
送電装置100および受電装置200は、図8に示すようなワイヤレス電力伝送装置を構成する。送電装置100は、絶縁性樹脂110、パッシブ電極120、アクティブ電極130および導電性樹脂140を備える。受電装置200は、絶縁性樹脂210、パッシブ電極220およびアクティブ電極230を備える。受電装置200は、例えば、携帯電話、タブレット型端末、ノート型PCなどの電子機器の内部もしくは表面に設けられるものであり、図1ではそれら電子機器の図示を省略している。
絶縁性樹脂110は、平板状に形成された第1絶縁性樹脂である。絶縁性樹脂110は、剛性が高い素材で構成される。絶縁性樹脂110は、例えば、ポリカーボネート樹脂や高剛性グレードのABS等で構成される。したがって、絶縁性樹脂110は、傷に対して高い耐性を有する。また、絶縁性樹脂110は、下地の表面を酸化処理(アルマイト処理)することで絶縁性を保つように構成してもよい。この場合、絶縁性樹脂の厚みは、例えば20μm〜30μm程度となり、傷に対して高い耐性を有するという効果に加えて、さらに薄くすることができるという効果を得ることができる。
パッシブ電極120は、絶縁性樹脂110の第1平面(図1において下面)側に配される第1パッシブ電極である。パッシブ電極120は、絶縁性樹脂110の第2平面側に対向して配されるパッシブ電極220との間で静電容量を発生させる。パッシブ電極120は、アクティブ電極130に比べて低電位であり、基準電位に接続される場合がある。
アクティブ電極130は、絶縁性樹脂110の第1平面側において2つのパッシブ電極120の間に配される第1アクティブ電極である。アクティブ電極130は、絶縁性樹脂110の第2平面側に対向して配されるアクティブ電極230との間で静電容量を発生させる。アクティブ電極130は、パッシブ電極120に比べて高電位である。
パッシブ電極120およびアクティブ電極130は、底面視において矩形状を呈する。パッシブ電極120およびアクティブ電極130は、銅やアルミニウム等の金属体で構成される。パッシブ電極120は、絶縁性樹脂110に対して接着剤等で固着している。アクティブ電極130は、導電性樹脂140に対して接着剤等で固着している。パッシブ電極120は、接続部121を介して送電回路と電気的に接続される。アクティブ電極130は、接続部131を介して送電回路と電気的に接続される。
導電性樹脂140は、絶縁性樹脂110とアクティブ電極130との間に配される第1導電性樹脂である。導電性樹脂140は、絶縁性樹脂110に対して接着剤等で固着している。導電性樹脂140の体積固有抵抗率は、数10Ω・cm〜数kΩ・cmである。したがって、導電性樹脂140は、絶縁性樹脂110に比べて所定の導電性を有する。
絶縁性樹脂210は、平板状に形成されている。絶縁性樹脂210は、剛性が高い素材で構成される。絶縁性樹脂210は、例えば、ポリカーボネート樹脂や高剛性グレードのABS等で構成される。したがって、絶縁性樹脂210は、傷に対して高い耐性を有する。
パッシブ電極220は、絶縁性樹脂210の第1平面(図1において上面)側に配される第2パッシブ電極である。パッシブ電極220は、絶縁性樹脂210の第2平面側に対向して配されるパッシブ電極120との間で静電容量を発生させる。パッシブ電極220は、アクティブ電極230に比べて低電位であり、基準電位に接続される場合がある。
アクティブ電極230は、絶縁性樹脂210の第1平面におけるパッシブ電極220間に配される第2アクティブ電極である。アクティブ電極230は、絶縁性樹脂210の第2平面側に対向して配されるアクティブ電極130との間で静電容量を発生させる。アクティブ電極230は、パッシブ電極220に比べて高電位である。厳密に言えば、アクティブ電極130,230間で生ずる交流電圧の波高値が、パッシブ電極120,220間で生ずる交流電圧の波高値よりも大きい。
この構成では、絶縁性樹脂110とアクティブ電極130との間に導電性樹脂140が配されているため、絶縁性樹脂110とアクティブ電極130との間の距離が確保される。すなわち、アクティブ電極130とアクティブ電極230との間の距離が確保される。したがって、アクティブ電極130とアクティブ電極230との間で放電が発生することを抑制することができる。
また、この構成では、導電性樹脂140は所定の導電性を有するため、静電容量素子として考えた場合、導電性樹脂140は、アクティブ電極130の一部と考えることができる。すなわち、アクティブ電極130とアクティブ電極230との電極間距離は、絶縁性樹脂110,210の厚みと絶縁性樹脂110,210間の距離(間隔)を足したもののみであるので、静電容量を発生させる電極間距離が実質的に短くなる。したがって、アクティブ電極130とアクティブ電極230との間で大きな静電容量を発生させることができるため、放電が発生することを抑制しつつ、アクティブ電極130とアクティブ電極230との間の電力伝送効率をあげることができる。
導電性樹脂140は、絶縁性樹脂110よりも柔らかい素材で構成されると好ましい。
この構成では、導電性樹脂140はクッション材の機能を有するため、アクティブ電極130に対する衝撃を吸収することでアクティブ電極130を保護することができる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、本実施形態以降の各実施形態に係る説明では、第1実施形態において説明した内容を適宜省略する。
図3は、送電装置および受電装置の構成を示す正面断面図である。
送電装置100Aは、第1実施形態に示した送電装置100の構成に加えて、導電性樹脂150をさらに備える。
導電性樹脂150は、絶縁性樹脂110とパッシブ電極120との間に配される第2導電性樹脂である。パッシブ電極120は、導電性樹脂150に対して接着剤等で固着している。導電性樹脂150は、絶縁性樹脂110に対して接着剤等で固着している。導電性樹脂150の体積固有抵抗率は、数10Ω・cm〜数kΩ・cmである。したがって、導電性樹脂150は、絶縁性樹脂110に比べて所定の導電性を有する。
この構成では、アクティブ電極130に比べてパッシブ電極120は放電が発生しにくいとはいえ、パッシブ電極120とパッシブ電極220との間の放電の発生を抑制することができる。また、アクティブ電極130とアクティブ電極230との間に印加する電圧と、パッシブ電極120とパッシブ電極220との間に印加する電圧と、に差がない仕様や、パッシブ電極120またはパッシブ電極220の電圧が0Vではない仕様であっても、電極間の放電の発生を抑制することができる。
導電性樹脂150は、絶縁性樹脂110よりも柔らかい素材で構成されると好ましい。
この構成では、導電性樹脂150はクッション材の機能を有するため、パッシブ電極120に対する衝撃を吸収することでパッシブ電極120を保護することができる。また、導電性樹脂140と導電性樹脂150の厚みは、同じであっても異なっていてもよい。厚みが異なる場合は、導電性樹脂140の方を厚くすると好ましい。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
図4は、送電装置および受電装置の構成を示す正面断面図である。
送電装置100Bを構成する導電性樹脂140および導電性樹脂150は、その厚み方向に導電性を有し、その厚み方向に直交する方向には導電性を有さない異方性樹脂が連続して構成されたものである。
この構成では、導電性樹脂140および導電性樹脂150の厚み方向に導電性を有する異方性樹脂により、パッシブ電極120とアクティブ電極130との間の絶縁性を確保することができる。
また、この構成では、導電性樹脂140および導電性樹脂150が1枚の異方性樹脂から構成されているため、導電性樹脂140および導電性樹脂150の構造が容易であるとともに、導電性樹脂140および導電性樹脂150を容易に製造することができる。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。
図5は、送電装置および受電装置の構成を示す正面断面図である。
送電装置100Cは、第2実施形態に示した送電装置100Aの構成に加えて、絶縁性樹脂160をさらに備える。絶縁性樹脂160は、導電性樹脂140と導電性樹脂150との間に配される第2絶縁性樹脂である。導電性樹脂140、導電性樹脂150および絶縁性樹脂160は、一体成型されたものである。
この構成では、導電性樹脂140と導電性樹脂150との間に絶縁性樹脂160が配されているため、パッシブ電極120とアクティブ電極130との間の絶縁性をさらに確保することができる。
また、この構成では、導電性樹脂140、導電性樹脂150および絶縁性樹脂160が一体成型されているため、導電性樹脂140、導電性樹脂150および絶縁性樹脂160を容易に製造することができる。
次に、本発明の第5実施形態について説明する。
図6は、送電装置および受電装置の構成を示す正面断面図である。
送電装置100Dを構成する導電性樹脂150Dは、導電性樹脂140よりも抵抗値が低く構成される。導電性樹脂140の体積固有抵抗率は、上述したように数10Ω・cm〜数kΩ・cmであるのに対して、導電性樹脂150Dの体積固有抵抗率は、数Ω・cmである。したがって、導電性樹脂150Dは、導電性樹脂140に比べて高い導電性を有する。
この構成では、パッシブ電極120とパッシブ電極220との間の電気的距離がより短くなるため、パッシブ電極120とパッシブ電極220との間で発生する静電容量をより大きく確保することができる。したがって、パッシブ電極120とパッシブ電極220との間の電力伝送効率をより上げることができる。
次に、本発明の第6実施形態について説明する。
図7は、送電装置および受電装置の構成を示す正面断面図である。
送電装置100のパッシブ電極120と受電装置200のパッシブ電極220とは、必ずしも重なるわけではなく、また、送電装置100のアクティブ電極130と受電装置200のアクティブ電極230とは、必ずしも重なるわけではない。それは、送電装置100と受電装置200とが位置ズレをすることがあるためである。
したがって、送電装置100と受電装置200との位置ズレを考慮した設計をすると好ましい。具体的には、送電装置100のパッシブ電極120と受電装置200のアクティブ電極230とが重ならない設計、また、送電装置100のアクティブ電極130と受電装置200のパッシブ電極220とが重ならない設計をすると好ましい。送電装置100と受電装置200とが位置ズレをしてアクティブ電極とパッシブ電極とが重なると、電力伝送効率が極端に低下するからである。
この構成では、アクティブ電極130とアクティブ電極230との間の静電容量が小さくなると結合係数が下がるので、それぞれの電極間の電力伝送を止めるように制御することにより、パッシブ電極120とアクティブ電極230との間で放電が発生することを抑制することができるとともに、アクティブ電極130とパッシブ電極220との間で放電が発生することを抑制することができる。
なお、上記各実施形態において、パッシブ電極120,220はいずれも平面視において矩形状の2つの電極からなるものを例示したが、パッシブ電極120,220の少なくとも一方は、アクティブ電極130,230の周囲を囲むような枠状の1つの電極からなるものを用いても構わない。
また、受電装置200は、いずれも絶縁性樹脂210を備えるものを例示したが、パッシブ電極220やアクティブ電極230が絶縁性樹脂210で覆われずに、露出していてもよい。
さらに、上記各実施形態において、第1導電性樹脂や第2導電性樹脂が、送電装置100ではなく受電装置200側に設けられてもよい。すなわち、送電装置100には導電性樹脂140を設けず、アクティブ電極230の送電装置100に近い面側に導電性樹脂140が設けられてもよい。また、送電装置100には導電性樹脂150を設けず、パッシブ電極220の送電装置100に近い面側に導電性樹脂150がさらに設けられてもよい。
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
100−送電装置
110−絶縁性樹脂(第1絶縁性樹脂)
120−パッシブ電極(第1パッシブ電極)
130−アクティブ電極(第1アクティブ電極)
140−導電性樹脂(第1導電性樹脂)
150−導電性樹脂(第2導電性樹脂)
160−絶縁性樹脂(第2絶縁性樹脂)
200−受電装置
220−パッシブ電極(第2パッシブ電極)
230−アクティブ電極(第2アクティブ電極)

Claims (4)

  1. 第1アクティブ電極、第1パッシブ電極ならびに前記第1アクティブ電極および前記第1パッシブ電極に接続され交流電圧を供給する送電回路を有する送電装置と、
    前記第1アクティブ電極と結合する第2アクティブ電極、前記第1パッシブ電極と結合する第2パッシブ電極ならびに前記第2アクティブ電極および前記第2パッシブ電極に接続され負荷回路へ電力を供給する受電回路を有する受電装置と、
    を備えたワイヤレス電力伝送装置において、
    平板状に形成された第1絶縁性樹脂と、
    前記第1絶縁性樹脂の第1平面側に配される第1導電性樹脂と、
    を備え、
    前記第1パッシブ電極は、前記第1絶縁性樹脂の第1平面側に配され、
    前記第2パッシブ電極は、前記第1絶縁性樹脂の第2平面側において前記第1パッシブ電極と対向するように配され、
    前記第1アクティブ電極は、前記第1導電性樹脂を介して、前記第1絶縁性樹脂の第1平面側に配され、
    前記第2アクティブ電極は、前記第1絶縁性樹脂の第2平面側において前記第1アクティブ電極と対向するように配され、
    前記第1絶縁性樹脂と前記第1パッシブ電極との間に配される第2導電性樹脂を備え、
    前記第1導電性樹脂および前記第2導電性樹脂は、その厚み方向に導電性を有する異方性樹脂が連続して構成されたものである、
    ことを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。
  2. 第1アクティブ電極、第1パッシブ電極ならびに前記第1アクティブ電極および前記第1パッシブ電極に接続され交流電圧を供給する送電回路を有する送電装置と、
    前記第1アクティブ電極と結合する第2アクティブ電極、前記第1パッシブ電極と結合する第2パッシブ電極ならびに前記第2アクティブ電極および前記第2パッシブ電極に接続され負荷回路へ電力を供給する受電回路を有する受電装置と、
    を備えたワイヤレス電力伝送装置において、
    平板状に形成された第1絶縁性樹脂と、
    前記第1絶縁性樹脂の第1平面側に配される第1導電性樹脂と、
    を備え、
    前記第1パッシブ電極は、前記第1絶縁性樹脂の第1平面側に配され、
    前記第2パッシブ電極は、前記第1絶縁性樹脂の第2平面側において前記第1パッシブ電極と対向するように配され、
    前記第1アクティブ電極は、前記第1導電性樹脂を介して、前記第1絶縁性樹脂の第1平面側に配され、
    前記第2アクティブ電極は、前記第1絶縁性樹脂の第2平面側において前記第1アクティブ電極と対向するように配され、
    前記第1絶縁性樹脂と前記第1パッシブ電極との間に配される第2導電性樹脂を備え、
    前記第2導電性樹脂は、前記第1導電性樹脂よりも抵抗値が低く構成されたものである、
    ことを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。
  3. 第1アクティブ電極、第1パッシブ電極ならびに前記第1アクティブ電極および前記第1パッシブ電極に接続され負荷回路へ電力を供給する受電回路を有する受電装置と、
    前記第1アクティブ電極と結合する第2アクティブ電極、前記第1パッシブ電極と結合する第2パッシブ電極ならびに前記第2アクティブ電極および前記第2パッシブ電極に接続され交流電圧を供給する送電回路を有する送電装置と、
    を備えたワイヤレス電力伝送装置において、
    平板状に形成された第1絶縁性樹脂と、
    前記第1絶縁性樹脂の第1平面側に配される第1導電性樹脂と、
    を備え、
    前記第1パッシブ電極は、前記第1絶縁性樹脂の第1平面側に配され、
    前記第2パッシブ電極は、前記第1絶縁性樹脂の第2平面側において前記第1パッシブ電極と対向するように配され、
    前記第1アクティブ電極は、前記第1導電性樹脂を介して、前記第1絶縁性樹脂の第1平面側に配され、
    前記第2アクティブ電極は、前記第1絶縁性樹脂の第2平面側において前記第1アクティブ電極と対向するように配され、
    前記第1絶縁性樹脂と前記第1パッシブ電極との間に配される第2導電性樹脂を備え、
    前記第1導電性樹脂および前記第2導電性樹脂は、その厚み方向に導電性を有する異方性樹脂が連続して構成されたものである、
    ことを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。
  4. 第1アクティブ電極、第1パッシブ電極ならびに前記第1アクティブ電極および前記第1パッシブ電極に接続され負荷回路へ電力を供給する受電回路を有する受電装置と、
    前記第1アクティブ電極と結合する第2アクティブ電極、前記第1パッシブ電極と結合する第2パッシブ電極ならびに前記第2アクティブ電極および前記第2パッシブ電極に接続され交流電圧を供給する送電回路を有する送電装置と、
    を備えたワイヤレス電力伝送装置において、
    平板状に形成された第1絶縁性樹脂と、
    前記第1絶縁性樹脂の第1平面側に配される第1導電性樹脂と、
    を備え、
    前記第1パッシブ電極は、前記第1絶縁性樹脂の第1平面側に配され、
    前記第2パッシブ電極は、前記第1絶縁性樹脂の第2平面側において前記第1パッシブ電極と対向するように配され、
    前記第1アクティブ電極は、前記第1導電性樹脂を介して、前記第1絶縁性樹脂の第1平面側に配され、
    前記第2アクティブ電極は、前記第1絶縁性樹脂の第2平面側において前記第1アクティブ電極と対向するように配され、
    前記第1絶縁性樹脂と前記第1パッシブ電極との間に配される第2導電性樹脂を備え、
    前記第2導電性樹脂は、前記第1導電性樹脂よりも抵抗値が低く構成されたものである、
    ことを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。
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