JP6156872B2 - 無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、非放射電磁界を用いて無線で電力伝送を行う無線電力伝送システムに関する。

電磁界は、放射電磁界（電磁波）と非放射電磁界（エバネッセント場）に分類できる。非放射電磁界を用いた無線電力伝送システムには、結合共振器型、電磁誘導型、容量結合型などがある。

非放射電磁界を用いた無線電力伝送システムは、一般に、送電側装置と受電側装置の間の距離が長くなると、電力の伝送効率が急激に低下する。前述した各型のうち、結合共振器型の無線電力伝送システムは、距離が有る場合の電力の伝送効率は高い方であるが、やはり、距離が長くなると、電力の伝送効率が急激に低下するのは同様である。従って、結合共振器型の無線電力伝送システムでも、電力伝送において許容される伝送効率を満たす距離（電力伝送可能距離）は長くはない。

このため、結合共振器型の無線電力伝送システムでは、送電側装置の送電側共振器と受電側装置の受電側共振器の間に、リピータと称する追加の共振器等を挿入することによって電力伝送可能距離を延ばす努力がなされて来た。例えば、特許文献１には、送電側共振器と受電側共振器の間に、それらと同様の共振器及びその付属回路を備えた構成のリピータ（リピータアンテナ）を設けた結合共振器型の無線電力伝送システムが記載されている。

国際公開ＷＯ２００９／１４０２１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたような共振器及びその付属回路を備えた構成のリピータは、サイズが大きく重くなり易いため、設置場所が制限されるなど一般に取り扱いが難しい。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型軽量のリピータを設けた無線電力伝送システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の無線電力伝送システムは、非放射電磁界を用いて送電側装置の送電側共振器と受電側装置の受電側共振器に共振を起こさせて該送電側共振器から該受電側共振器に無線で電力伝送を行う結合共振器型の無線電力伝送システムにおいて、前記送電側共振器からの非放射電磁界が入力されて、前記受電側共振器に向けて非放射電磁界を出力する少なくとも１個のリピータを備え、該リピータは、送電側平板体と、受電側平板体と、それらをつなぐ中間接続線と、を有して構成されることを特徴とする。

請求項２に記載の無線電力伝送システムは、請求項１に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記リピータは、前記送電側平板体と前記受電側平板体が円板状であることを特徴とする。

請求項３に記載の無線電力伝送システムは、請求項１又は２に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記中間接続線は、曲げられていることを特徴とする。

請求項４に記載の無線電力伝送システムは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記受電側平板体は複数有り、前記中間接続線は分岐していることを特徴とする。

請求項５に記載の無線電力伝送システムは、請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、前記リピータは少なくとも２個あり、該２個のリピータの間に隔壁が存在していることを特徴とする。

本発明によれば、小型軽量のリピータを設けた無線電力伝送システムを提供することが可能になる。

本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す概略側面図である。 同上の無線電力伝送システムの送電側装置を示すもので、（ａ）は模式的な斜視図、（ｂ）は送電側装置を構成する送電側共振器の概略正面図である。 同上の無線電力伝送システムの受電側装置を示すもので、（ａ）は模式的な斜視図、（ｂ）は受電側装置を構成する受電側共振器の概略正面図である。 同上の無線電力伝送システムのリピータを示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）リピータを構成する送電側平板体の正面図である。 図１の実験構成での実験の結合係数を示す特性図である。 図１の実験構成での実験の電力伝送特性を示す特性図である。 同上の無線電力伝送システムの他の実験構成を示す概略側面図である。 図７の実験構成での実験の結合係数を示す特性図である。 同上の無線電力伝送システムの更に他の実験構成を示す概略側面図である。 図１の構成での別の実験及びシミュレーションの結合係数を示す特性図である。 本発明の別の実施形態に係る無線電力伝送システムの構成を示す概略側面図である。 図１１の実験構成での実験の結合係数を示す特性図である。 図１１の実験構成での実験の電力伝送特性を示す特性図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る無線電力伝送システム１は、結合共振器型であり、図１に示すように、非放射電磁界を用いて送電側装置２の送電側共振器２１と受電側装置３の受電側共振器３１に共振を起こさせて送電側共振器２１から受電側共振器３１に無線で電力伝送を行うシステムである。この無線電力伝送システム１においては、送電側共振器２１と受電側共振器３１の間に、送電側共振器２１からの非放射電磁界が入力されて、受電側共振器３１に向けて非放射電磁界を出力するリピータ４を備えている。

送電側装置２の送電側共振器２１は、図２に示すように、電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるコイル、すなわちスパイラルコイルとすることができる。送電側共振器２１は、インピーダンスの整合を行うインピーダンス整合手段２２を介して、高周波電源２３の信号によって励振される。インピーダンス整合手段２２は、典型的には、送電側共振器２１に電磁誘導結合する結合ループを用いることができるが、例えば、送電側共振器２１に直結する形態など他の形態であってもよい。

受電側装置３の受電側共振器３１は、図３に示すように、スパイラルコイルとすることができる。受電側共振器３１に伝送された電力は、インピーダンスの整合を行うインピーダンス整合手段３２を介して、負荷３３に供給される。負荷３３は、通信分野における携帯機器の充電回路など、機器の所要の機能のための回路である。インピーダンス整合手段３２は、典型的には、受電側共振器３１に電磁界結合する結合ループを用いることができるが、例えば、受電側共振器３１に直結する形態など他の形態であってもよい。なお、図においては、受電側装置３を送電側装置２とほぼ同じ大きさで描いているが、受電側装置３の大きさは限定されるものではなく、送電側装置２より小さい場合も多い。

リピータ４は、図１及び図４に示すように、送電側共振器２１に対向し金属材料の平板体よりなる送電側平板体４１と、受電側共振器３１に対向し金属材料の平板体よりなる受電側平板体４２と、それらを電気的につなぎ金属線よりなる中間接続線４３と、を有して構成される。送電側平板体４１と受電側平板体４２は、円板状のものとすることができる。送電側平板体４１及び受電側平板体４２の表面は、凹凸がなく平坦でよい。送電側平板体４１と受電側平板体４２と中間接続線４３の材料としては、銅などを用いることができる。

このようなリピータ４を用いた無線電力伝送システム１の実験について述べる。この実験構成は以下の通りである。すなわち、送電側装置２の送電側共振器２１と受電側装置３の受電側共振器３１はそれぞれ、線径が１ｍｍの電気導線を９９回巻いて直径を３０ｃｍにしたスパイラルコイルを用いた。それらの共振周波数は、約２．１５ＭＨｚになっている。リピータ４の送電側平板体４１と受電側平板体４２は、直径１０ｃｍ、厚さ０．１ｍｍの銅製の円板を用いた。中間接続線４３は、直径１ｍｍの銅線を用いた。送電側共振器２１と送電側平板体４１の間の間隔、及び、受電側共振器３１と受電側平板体４２の間の間隔はともに、１ｃｍとした。なお、後述するその他の実験及びシミュレーションにおいて、特に言及しない部分は、以上述べた実験構成と同様である。

図５の曲線ａは、中間接続線４３の長さＬを変えたときの、送電側共振器２１と受電側共振器３１の間の結合係数の変化を示す特性図である。ここでは、直線状の中間接続線４３を用い、その長さＬはリピータ４の送電側平板体４１と受電側平板体４２の間の距離となっている。なお、結合係数が大きければ、電力の伝送効率は高い。同図の曲線ｂは、比較のためのものであって、曲線ａと同じ条件でリピータ４を取り外した場合の結合係数の変化を示す特性図である。

曲線ａにより、中間接続線４３の長さＬを延ばしても、曲線ｂのような結合係数の急激な低下が阻止されることが分かる。また、送電側共振器２１（及び受電側共振器３１）の直径の６倍であるＬ＝１８０ｃｍにおいて、結合係数として０．０７という高い値が得られている。

図６の曲線ｃは、図５の曲線ａと同様に中間接続線４３の長さＬを変えたときの、送電側共振器２１と受電側共振器３１の間の電力伝送特性の変化を示す特性図である。同図の曲線ｄは、比較のためのものであって、曲線ｃと同じ条件でリピータ４を取り外した場合の電力伝送特性の変化を示す特性図である。

曲線ｃにより、中間接続線４３の長さＬを延ばしても、曲線ｄのような電力伝送特性の急激な低下が阻止されることが分かる。また、送電側共振器２１（及び受電側共振器３１）の直径の６倍であるＬ＝１８０ｃｍにおいて、電力伝送特性として−０．７５ｄＢという高い値が得られている。電力伝送特性の−０．７５ｄＢは、送電側共振器２１から出力される電力の８４％が受電側共振器３１に入力されることを示している。

このように、送電側共振器２１と受電側共振器３１の間の距離が長くなったときに、リピータ４の中間接続線４３を長く延ばすことにより、電力の伝送効率の急激な低下を阻止することができる。よって、送電側共振器２１と受電側共振器３１の間の電力伝送可能距離を大幅に延ばすことができる。

また、このようなリピータ４は、送電側平板体４１と受電側平板体４２にはスパイラルコイルのようなインダクタンス成分を有する特別なパターンが形成されておらず、簡易な構造であり、小型軽量にすることができる。よって、リピータ４は、設置場所の自由度が大きく、取り扱いが容易である。

また、リピータ４の中間接続線４３は、金属線よりなっているので曲げることができ、しかも、細くてもよいので、より曲げ易いものとなる。

このような曲げた中間接続線４３のリピータ４を用いた無線電力伝送システム１の実験について述べる。この実験では、図７に示すように、中間接続線４３を、９０度だけ曲げ、送電側平板体４１と受電側平板体４２の間に接地したシールド板Ｓを設置した。

図８の曲線ｅは、曲げた中間接続線４３の長さＬ（Ｌ１＋Ｌ２）を変えたときの、送電側共振器２１と受電側共振器３１の間の結合係数の変化を示す特性図である。同図の曲線ｆは、比較のためのものであって、直線状の中間接続線４３の場合の結合係数の変化を示す特性図である。曲線ｅと曲線ｆは、ほぼ同じ特性を示しており、中間接続線４３を曲げることによる特性の劣化は示していないことが分かる。

このように、設置場所に応じて中間接続線４３を適宜曲げてリピータ４を設置することができる。例えば、送電側共振器２１と受電側共振器３１の間に障害物が存在する場合に、これを避けるように中間接続線４３を曲げて配線することができる。また、リピータ４の送電側平板体４１と受電側平板体４２が平行でなくてもよいことになる。

また、受電側平板体４２を複数として中間接続線４３を分岐させることができる。

このような受電側平板体４２を複数として、中間接続線４３を分岐させた無線電力伝送システム１の実験について述べる。この実験では、図９に示すように、受電側平板体４２を２個（受電側平板体４２’、４２’’）とし、送電側平板体４１からの中間接続線４３を分岐点Ｂで分岐して２本（中間接続線４３’、４３’’）にしている。送電側平板体４１から分岐点Ｂまでの中間接続線４３の長さ、分岐点Ｂから受電側平板体４２’までの中間接続線４３’の長さ、分岐点Ｂから受電側平板体４２’’までの中間接続線４３’’の長さは、全て、５０ｃｍとしている。一方の受電側平板体４２’側の結合係数及び電力伝送特性を測定するときは、一方の受電側平板体４２’に対向してスパイラルコイルの直径が３０ｃｍの受電側共振器３１’を設け、他方の受電側平板体４２’’側の結合係数及び電力伝送特性を測定するときは、他方の受電側平板体４２’’に対向してスパイラルコイルの直径が２０ｃｍの受電側共振器３１’’を設けた。

この実験構成で、送電側共振器２１と受電側共振器３１’の間の結合係数及び電力伝送特性はそれぞれ、０．０６５５、−０．６７２ｄＢであった。そのときの共振周波数は、２．１８７ＭＨｚであった。また、送電側共振器２１と受電側共振器３１’’の間の結合係数及び電力伝送特性はそれぞれ、０．０５８１、−０．８９９ｄＢであった。そのときの共振周波数は、２．１４４ＭＨｚであった。

このように、様々な場所に受電側装置３を複数設置したいなどの場合に、受電側平板体４２を複数として中間接続線４３を分岐させることができる。この場合、各々の受電側共振器３１は、自己の給電のタイミングでないとき、共振周波数から離調するなどして、送電側共振器２１からの伝送される電力を受電しないようにすることができる。

次に、無線電力伝送システム１の動作解析について述べる。図１０の曲線ｇ、ｈは、円板形状の送電側平板体４１及び受電側平板体４２の直径Ｄを変えたときの、送電側共振器２１と受電側共振器３１の間の結合係数の変化を示す特性図である。中間接続線４３は、直線状のものであり、長さＬは４０ｃｍである。曲線ｇは実験値、曲線ｈは実験と同様の構成でのシミュレーション値である。同図の曲線ｉは、送電側共振器２１と受電側共振器３１のスパイラルコイルの巻き数を２０回とし、スパイラルコイルの両端間に６０ｐＦの外付け容量を接続して共振周波数を３ＭＨｚとしたシミュレーション値である。曲線ｉの構成では、６０ｐＦの外付け容量により、電界をそれに閉じ込め、送電側共振器２１と受電側共振器３１の間には、ほとんど磁界のみが生じているようにしている。

曲線ｉは、曲線ｈと比較すると、結合係数が極めて小さいことが分かる。このことは、リピータ４における電力伝送は電界が重要であって、磁界の寄与は極めて少ないことを示している。また、曲線ｇ、ｈにおいて、送電側平板体４１（及び受電側平板体４２）の直径Ｄが送電側共振器２１（及び受電側共振器３１）の直径の半分程度のときに結合係数が大きいのは、そのときに送電側平板体４１（及び受電側平板体４２）に誘起される電荷の総量が多くなっているためと考えられる。

次に、本発明の別の実施形態に係る無線電力伝送システム１’について説明する。無線電力伝送システム１’は、図１１に示すように、送電側装置２の送電側共振器２１と受電側装置３の受電側共振器３１との間に、前述したリピータ４と同様の構成の２個のリピータ４Ａ、４Ｂを備えるものである。リピータ４Ａの送電側平板体４１Ａを送電側共振器２１に対向させ、リピータ４Ｂの受電側平板体４２Ｂを受電側共振器３１に対向させている。また、リピータ４Ａの受電側平板体４２Ａとリピータ４Ｂ送電側平板体４１Ｂとを、隔壁Ｗを介して、互いに対向させている。

このような無線電力伝送システム１’の実験について述べる。図１２の曲線ｊは、リピータ４Ａ、４Ｂの間に厚さ０．６ｍｍのガラスの隔壁Ｗを存在させた場合で、送電側共振器２１と受電側共振器３１の間の距離Ｍを変えたときの、結合係数の変化を示す特性図である。同図の曲線ｋは、比較のためのものであって、曲線ｊと同じ条件でリピータ４Ａ、４Ｂを取り外した場合の結合係数の変化を示す特性図である。

曲線ｊは、曲線ｋと比較すると、結合係数が非常に大きくなっていることが分かる。

図１３の曲線ｌは、リピータ４Ａ、４Ｂの間に厚さ０．６ｍｍのガラスの隔壁Ｗを存在させた場合で、送電側共振器２１と受電側共振器３１の間の距離Ｍを変えたときの、電力伝送特性の変化を示す特性図である。同図の曲線ｍは、比較のためのものであって、曲線ｌと同じ条件でリピータ４Ａ、４Ｂを取り外した場合の特性を示している。

曲線ｌにより、曲線ｍのような電力伝送特性の急激な低下が阻止されていることが分かる。

このように、送電側共振器２１と受電側共振器３１の間に、隔壁Ｗが存在している場合、隔壁Ｗをリピータ４Ａ、４Ｂの間に挟むようにすれば、隔壁Ｗを介して効率的な電力伝送が可能になる。隔壁Ｗとしては、ガラスや石膏ボードなどの種類が有り得る。隔壁Ｗの種類に応じて、例えば、ガラス窓を通して室内から室外へ、空気中から水槽中へ、又は、1つの部屋から壁を通して隣の部屋へ給電が可能になる。

以上、本発明の実施形態に係る無線電力伝送システムについて説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、送電側共振器と受電側共振器の間には、場所に応じた数のリピータを設けることができ、適宜、それらのリピータの間に隔壁を挟むことができる。

１ 無線電力伝送システム
２ 送電側装置
２１ 送電側装置を構成する送電側共振器
３ 受電側装置
３１ 受電側装置を構成する受電側共振器
４、４Ａ、４Ｂ リピータ
４１、４１Ａ、４１Ｂ リピータの送電側平板体
４２、４２Ａ、４２Ｂ リピータの受電側平板体
４３、４３Ａ、４３Ｂ リピータの中間接続線
Ｗ 隔壁

Claims (5)

1. 非放射電磁界を用いて送電側装置の送電側共振器と受電側装置の受電側共振器に共振を起こさせて該送電側共振器から該受電側共振器に無線で電力伝送を行う結合共振器型の無線電力伝送システムにおいて、
   前記送電側共振器からの非放射電磁界が入力されて、前記受電側共振器に向けて非放射電磁界を出力する少なくとも１個のリピータを備え、
   該リピータは、送電側平板体と、受電側平板体と、それらをつなぐ中間接続線と、を有して構成されることを特徴とする無線電力伝送システム。
2. 請求項１に記載の無線電力伝送システムにおいて、
   前記リピータは、前記送電側平板体と前記受電側平板体が円板状であることを特徴とする無線電力伝送システム。
3. 請求項１又は２に記載の無線電力伝送システムにおいて、
   前記中間接続線は、曲げられていることを特徴とする無線電力伝送システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、
   前記受電側平板体は複数有り、前記中間接続線は分岐していることを特徴とする無線電力伝送システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線電力伝送システムにおいて、
   前記リピータは少なくとも２個あり、該２個のリピータの間に隔壁が存在していることを特徴とする無線電力伝送システム。

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