JP6270219B2

JP6270219B2 - Power supply

Info

Publication number: JP6270219B2
Application number: JP2014531693A
Authority: JP
Inventors: 小林　直樹; 小林　　直樹; 福田　浩司; 浩司福田; 義哲成末; 圭博川原; 浅見　徹; 徹浅見
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2033-08-23
Also published as: WO2014030773A1; JPWO2014030773A1

Description

本発明は電力供給装置に関し、具体的には、送電線を介さずに非接触で受電装置に電力を供給する装置に関する。 The present invention relates to a power supply device, and more particularly to a device that supplies power to a power receiving device in a contactless manner without passing through a power transmission line.

離間した受電装置に対し無線で電力を供給する方法が知られている。例えば、特許文献１には、電磁波伝送シートの中で電磁波を伝搬させ、電磁波伝送シートから漏出する電磁界を受電装置に供給するという構成が開示されている。この種の関連技術はまた、特許文献２に開示されている。
また、特許文献３には、電源側の一次コイルから負荷側の二次コイルに磁気結合で電力を伝送する方式が開示されている。この種の関連技術はまた、特許文献４に開示されている。この種の技術は、家庭用の小型電子機器、例えば、シェーバーや電動歯ブラシなどの充電によく使用されている。
あるいは、特許文献５には、マイクロ波ビームを利用した送電方法が開示されている。この送電方法は、例えば、衛星軌道上で太陽光発電を行い、得たエネルギーをマイクロ波ビームで地上に送る。そして、地上の受電装置でマイクロ波を電力に再変換する。
さらに、近年では、室内に置かれた様々な電子機器に対して無線で給電する方法も探求されてきており、その一例が非特許文献１に開示されている。
このコンセプトを非特許文献２による開示から引用する。
東京大学大学院の浅見教授、川原講師らの研究する「電磁共鳴式マルチホップ無線電力伝送方式の提案と評価」のコンセプトは、非特許文献１の図１２に示すように、室内等のある程度の広がりをもったエリアに配置されている複数の電子機器に電力を給電するというものである。ここでいう電子機器には、例えば電力伝送シートも含まれ、この電力伝送シートからさらに小型電子機器に給電するといった利用もある。
図１７を参照して、部屋１０の壁や床１３には複数のコイル１４が面状に配列されて埋め込まれている。そして、中心軸に対して直交する方向で隣接しているコイル同士でも共振することを利用する。つまり、いずれかのコイルに給電すれば、電力が隣接するコイルにホッピングしてゆく。
隣接するコイルに電力を伝搬させてゆき、そして、電磁界をコイルから部屋１０のなかに漏洩させる。すると、部屋という広いエリアに配置されている複数の電子機器１１や机上の電子機器１２に給電できるというわけである。
これにより、電源線の配線、充電、電池交換等の作業が不要になることが期待できる。A method of supplying power wirelessly to a separated power receiving apparatus is known. For example, Patent Document 1 discloses a configuration in which an electromagnetic wave is propagated in an electromagnetic wave transmission sheet and an electromagnetic field leaking from the electromagnetic wave transmission sheet is supplied to a power receiving device. This type of related technology is also disclosed in US Pat.
Patent Document 3 discloses a method of transmitting power by magnetic coupling from a primary coil on the power source side to a secondary coil on the load side. This type of related technology is also disclosed in US Pat. This type of technology is often used for charging small household electronic devices such as shavers and electric toothbrushes.
Alternatively, Patent Document 5 discloses a power transmission method using a microwave beam. In this power transmission method, for example, solar power generation is performed on a satellite orbit, and the obtained energy is transmitted to the ground with a microwave beam. Then, the microwave is reconverted into electric power by the ground power receiving device.
Furthermore, in recent years, a method of supplying power wirelessly to various electronic devices placed in a room has been sought, and an example thereof is disclosed in Non-Patent Document 1.
This concept is cited from the disclosure by Non-Patent Document 2.
The concept of “Proposal and Evaluation of Electromagnetic Resonance Multi-Hop Wireless Power Transmission System” studied by Professor Asami and Professor Kawahara of the University of Tokyo Graduate School, as shown in FIG. Power is supplied to a plurality of electronic devices arranged in an area having The electronic device here includes, for example, a power transmission sheet, and the power transmission sheet can be used to supply power to a small electronic device.
Referring to FIG. 17, a plurality of coils 14 are arranged in a plane and embedded in a wall or floor 13 of room 10. And it utilizes that the coils which adjoin in the direction orthogonal to a central axis also resonate. That is, if power is supplied to one of the coils, the electric power hops to the adjacent coil.
Electric power is propagated to the adjacent coil, and an electromagnetic field is leaked from the coil into the room 10. Then, power can be supplied to a plurality of electronic devices 11 arranged on a wide area such as a room and the electronic device 12 on the desk.
Thereby, it can be expected that operations such as wiring of the power supply line, charging, battery replacement and the like are unnecessary.

特開２００８−６６８４１号公報JP 2008-66841 A 特開２００７−２８１６７８号公報JP 2007-281678 A 特開平７−３２２５３４号公報JP-A-7-322534 米国特許第７８２５５４３号明細書US Patent No. 7,825,543 特開２００８−２５９３９２号公報JP 2008-259392 A

澤上、川原他「電磁共鳴式無線電力伝送のマルチホップ性能評価」、電子情報通信学会総合大会、２０１０年３月、Ｂ−２０−３８、通信講演論文集２、ｐｐ．６２２Sawakami, Kawahara et al. “Multi-hop performance evaluation of electromagnetic resonance type wireless power transmission”, IEICE General Conference, March 2010, B-20-38, Communication Lectures Collection 2, pp. 622 東京大学大学院情報埋工学系研究科浅見研究室の研究紹介（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｋｇ．ｔ．ｕ−ｔｏｋｙｏ．ａｃ．ｊｐ／ｌａｂｉｎｔｒｏ１００４．ｐｄｆ）Introduction of research at Asami Laboratory, Graduate School of Information Engineering, University of Tokyo (http://www.akg.t-uyo.ac.jp/labintro1004.pdf) 居村岳広、学位論文「電磁界共振結合を用いたワイヤレス電力伝送に関する研究」、東京大学大学院工学系研究科電気工学専攻、２００９年度電磁界解析の説明：ｐ．３２、コイル定数の計算手法：ｐ．７２−ｐ．７８Takemura Imura, dissertation "Research on wireless power transmission using electromagnetic resonance coupling", Department of Electrical Engineering, Graduate School of Engineering, University of Tokyo, 2009 Explanation of electromagnetic field analysis: p. 32. Coil constant calculation method: p. 72-p. 78

上記の方法によれば、部屋のなかの電子機器に無線で給電できる可能性がある。
しかしながら、上記方法では、電力伝送効率は受電装置の位置に大きく依存することが予想される。そこで、受電装置の位置に依存せず給電（送電）する技術が望まれる。
本発明の企図するところは、無線給電において、受電装置の位置に依存せず、効率良く電力を供給できる電力供給装置を提供することにある。According to the above method, there is a possibility that power can be supplied wirelessly to the electronic device in the room.
However, in the above method, it is expected that the power transmission efficiency greatly depends on the position of the power receiving device. Therefore, a technique for supplying (transmitting) power without depending on the position of the power receiving device is desired.
An object of the present invention is to provide a power supply device that can supply power efficiently without depending on the position of the power receiving device in wireless power feeding.

本発明の態様による電力供給装置は、複数のコイルが一次元的または二次元的もしくは三次元状に配列され、共振作用によって電力を隣のコイルに伝搬させてゆくとともに、周囲に電磁界を漏洩させることによって無線による送電を行う送電部と、前記送電部の一または複数の前記コイルに電力を供給する給電部と、前記送電部からの送電電力を受電する受電装置と、を備え、前記一次元的または二次元的もしくは三次元状に配列された一つ以上のコイルには、リアクタンス性素子を装荷させていることを特徴とする。 In the power supply device according to the aspect of the present invention, a plurality of coils are arranged one-dimensionally, two-dimensionally or three-dimensionally, and electric power is propagated to the adjacent coil by a resonance action, and an electromagnetic field leaks to the surroundings. A power transmission unit that performs power transmission wirelessly, a power supply unit that supplies power to one or a plurality of the coils of the power transmission unit, and a power receiving device that receives power transmitted from the power transmission unit, the primary One or more coils arranged in an original or two-dimensional or three-dimensional manner are loaded with reactive elements.

本発明によれば、受電装置の位置に依存せずに効率良く電力を供給できる、無線給電型の電力供給装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a wireless power feeding type power supply device that can efficiently supply power without depending on the position of the power receiving device.

図１は本発明が実現したい電力供給装置について２つの構成例を示した斜視図である。
図２は一次元的に配置した複数のコイルにほぼ一様の磁界分布（∝電流分布）が生じていることを示すため図である。
図３はＮ個のコイルを二次元平面上に配置した例を示す図である。
図４は図１に示されるようなヘリカルコイルにリアクタンス性素子が並列装荷されていることを示す図である。
図５は図１に示されるようなヘリカルコイルにリアクタンス性素子が直列装荷されている例（図５ａ）及びヘリカルコイルの先端にリアクタンス性素子が片側装荷されている例を示した図である。
図６はコイル０を中心に６個のコイル（コイル１〜コイル６）が取り囲み、各コイルには容量性素子が並列装荷されていることを示す図であり、コイル１には給電部が接続され、受電コイル（受電装置）には負荷抵抗が接続されていることを示す。
図７は図６の回路モデルを解析し、電力伝送効率を回路解析した結果を示す特性図である。
図８は本発明の第１の実施形態を、一次元的コイル配置（図８ａ）及び二次元的コイル配置（図８ｂ）の２つの例で示した図である。
図９は本発明の第２の実施形態を、一次元的コイル配置（図９ａ）及び二次元的コイル配置（図９ｂ）の２つの例で示した図である。
図１０は本発明において用いられる一巻ループコイルにリアクタンス性素子が装荷されていることを示す図である。
図１１は本発明において用いられる平面スパイラル状のコイルの一例（図１１ａ）及びプリント基板の裏面に実装されるコイルの一例を示した図である。
図１２は本発明の第３の実施形態に係わる電力供給装置の一部である、装荷リアクタンス計算装置の構成例を示した機能ブロック図である。
図１３は本発明の第４の実施形態に係わる電力供給装置の一部である、装荷リアクタンス計算装置の構成例を示した機能ブロック図である。
図１４は本発明の他の実施形態を、一次元的コイル配置（図１４ａ）及び二次元的コイル配置（図１４ｂ）の２つの例で示した図である。
図１５は本発明の更に他の実施形態（三次元的コイル配置）を示した図である。
図１６は本発明において用いられるリアクタンス性素子の幾つかの例を示した図である。
図１７は従来のマルチホップ電力伝送の概念を説明するための図である。
図１８は正方形のループコイルを９個敷き詰めた二次元給電システムに適用した電磁界シミュレーションについて説明するための図である。
図１９は図１８の１つのループコイルにおけるキャパシタの装荷位置及び送電共振器における給電点について説明するための図である。
図２０は図１８に示された二次元給電システムにおける隣り合う共振器間の相互インダクタンスのインピーダンスの大きさについて説明するための図である。
図２１Ａ〜図２１Ｄは図２０及び図２０とは異なる共振器間隔について相互インダクタンスのインピーダンスの大きさについて説明するための図である。
図２２は図１８に示したループコイル配置による電界強度分布の計測結果の写真を模した図である。
図２３は図１８に示したループコイル配置による磁界強度分布の計測結果の写真を模した図である。FIG. 1 is a perspective view showing two configuration examples of a power supply apparatus to be realized by the present invention.
FIG. 2 is a diagram for showing that a substantially uniform magnetic field distribution (a soot current distribution) is generated in a plurality of coils arranged one-dimensionally.
FIG. 3 is a diagram showing an example in which N coils are arranged on a two-dimensional plane.
FIG. 4 is a diagram showing that a reactive element is loaded in parallel on a helical coil as shown in FIG.
FIG. 5 is a diagram showing an example in which a reactive element is loaded in series on a helical coil as shown in FIG. 1 (FIG. 5a) and an example in which a reactive element is loaded on one end of the helical coil.
FIG. 6 is a diagram showing that six coils (coil 1 to coil 6) are surrounded around coil 0, and that capacitive elements are loaded in parallel to each coil. The load resistance is connected to the power receiving coil (power receiving device).
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the result of analyzing the circuit model of FIG. 6 and analyzing the power transmission efficiency.
FIG. 8 is a diagram showing the first embodiment of the present invention in two examples of a one-dimensional coil arrangement (FIG. 8a) and a two-dimensional coil arrangement (FIG. 8b).
FIG. 9 is a diagram showing a second embodiment of the present invention with two examples of a one-dimensional coil arrangement (FIG. 9a) and a two-dimensional coil arrangement (FIG. 9b).
FIG. 10 is a diagram showing that a reactive element is loaded on a one-turn loop coil used in the present invention.
FIG. 11 is a view showing an example of a planar spiral coil (FIG. 11a) used in the present invention and an example of a coil mounted on the back surface of the printed board.
FIG. 12 is a functional block diagram showing a configuration example of a loaded reactance calculation apparatus which is a part of the power supply apparatus according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a functional block diagram showing a configuration example of a loaded reactance calculation apparatus which is a part of the power supply apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 14 shows another embodiment of the present invention in two examples: a one-dimensional coil arrangement (FIG. 14a) and a two-dimensional coil arrangement (FIG. 14b).
FIG. 15 is a view showing still another embodiment (three-dimensional coil arrangement) of the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing several examples of reactive elements used in the present invention.
FIG. 17 is a diagram for explaining the concept of conventional multi-hop power transmission.
FIG. 18 is a diagram for explaining electromagnetic field simulation applied to a two-dimensional power supply system in which nine square loop coils are laid.
FIG. 19 is a diagram for explaining a capacitor loading position in one loop coil of FIG. 18 and a feeding point in the power transmission resonator.
FIG. 20 is a diagram for describing the magnitude of the impedance of the mutual inductance between the adjacent resonators in the two-dimensional power feeding system shown in FIG.
21A to 21D are diagrams for explaining the magnitude of the impedance of the mutual inductance with respect to the resonator interval different from those in FIGS. 20 and 20.
FIG. 22 is a diagram simulating a photograph of the measurement result of the electric field intensity distribution by the loop coil arrangement shown in FIG.
FIG. 23 is a diagram simulating a photograph of the measurement result of the magnetic field strength distribution by the loop coil arrangement shown in FIG.

（基本コンセプト）
まず、本発明が実現したい電力供給装置の主要部の構成例を図１に示す。
図１（ａ），（ｂ）において、受電装置１２０は、送電部１１０と電気的接触はしていない。
送電部１１０は、複数のコイル１１１によって構成されており、複数のコイル１１１は一次元（直線的、もしくは曲線的）（図１ａ）、もしくは二次元的（平面的）（図１ｂ）に配列されている。
コイル１１１としては、例えばヘリカルコイル、もしくはスパイラルコイルが典型的である。図１では、コイル１１１をヘリカル型のコイルとしている。
送電部１１０は、例えば部屋の壁や床そのものであってもよい。すなわち、部屋の床や壁あるいは天井１１５の一面に複数のコイル１１１を埋設し、これを送電部１１０とすることが例として挙げられる。床や壁あるいは天井１１５の材料は、送電部としての機能を損なわない材料であれば何でも良い。
給電装置１３０は、一つまたは複数のコイル１１１に電力を供給する。給電装置１３０からコイル１１１へは、交流電流を流してもよい。あるいは、コイル１１１に振動磁界を与えてもよい。
この構成において、給電装置１３０から一つまたは複数のコイル１１１に電力を供給したときに、送電部１１０における隣接コイル間を電力が伝搬していく。そして、図１（ａ），（ｂ）に示すように送電部１１０から電磁波が漏洩する。
このとき、漏洩する電磁波により、所望の位置の受電装置１２０に効率良く給電できるよう、受電装置１２０直下のコイルの電流値をなるべく大きくしたい。さらには、受電装置が位置によらず効率良く電力を受けられるように、送電部１１０内のコイル毎にほぼ一様の電流を流したいこともある。
例えば図１（ａ）においては、給電したい受電装置１２０が３つあるとする。この場合、これらの３つの受電装置１２０のところで電磁界強度が一様となるようにしたい。
このような給電が可能になる理論的背景、および、具体的な構成を以下に説明する。
（着想）
本発明者らは、鋭意研究の末、複数のコイルを配置した場合、コイル毎に適当なリアクタンス値（誘導性、もしくは容量性）を有するリアクタンス性素子を装荷することにより、コイル毎に所望の電流分布を得ることができる方法を開発した。
これによって、例えば、図２のように複数のコイル１１１を一次元的（一列状）に配列し、給電装置から一つのコイルに給電した場合、適当なリアクタンス性素子をコイルに装荷することにより、コイル毎の磁界値、すなわち電流分布を一様にすることができることを確認した。以下、その理論的根拠について説明する。
図３は、送電部のＮ個のコイルを表している。各々のコイルは添え字ｉ（ｉ＝１，…，Ｎ）で表す。ここで、そのコイルの電流をα_ｉＩで表す。αは基準電流（例えばコイル０に流れる電流をＩ（α＝１）としたときの）に対する各コイルに流れる電流を表すための係数である。送電に用いる角周波数ω_ＴＸ、コイルｉ自身のインピーダンスをＺｉ（ω_ＴＸ）とすると、キルヒホッフの法則より、以下の式（１）が成立する。
ここで、Ｍ_ｉｋはコイルｉとコイルｋ間の相互インダクタンスである。尚、本式は、異なるコイル間の容量結合は無視できるほど小さいとした場合の、近似的に成立する等式である。ここで、インピーダンスの虚部に着目すると、以下の式（２）が成立する。
この条件は、給電部接続時に、コイルの分布全体が、特定の共振モードとしてエキサイトされた場合のコイル毎の電流分布α_１Ｉ，α_２Ｉ，…，α_ＮＩの間で満たされる関係式を表す。
すなわち、インピーダンスの虚部は以下の式（３）によって示される。
ここで、コイルｉの自己インダクタンスをＬ_ｉ，自己キャパシタンスをＣ_ｉとすると、Ｉｍ（Ｚ_ｉ（ω_ＴＸ））の値は、ω_ＴＸＬ_ｉ−（１／ω_ＴＸＣ）となり、必ずしも式（３）を満たすとは限らない。一方、コイルｉに、式（３）を満たすよう、特定のインピーダンス値を有する素子を装荷することは可能である。例えば、装荷するリアクタンス性素子のリアクタンス値をＸ_ｉとしたとき、装荷すべきリアクタンス値は以下の式（４）のように示される。
Ｘ_ｉが正の値の場合は誘導性のリアクタンス性素子、すなわちインダクタを、負の場合は容量性のリアクタンス性素子、すなわちキャパシタを装荷すれば良いことになる。
例えば、インダクタを装荷する場合、そのインダクタンス値をＬ_{ｉ，ａｄｄ}とすると、以下の式（５）を満たすインダクタンス値を有するインダクタを装荷すれば良い。
一方、キャパシタを装荷する場合、そのキャパシタンス値をＣ_{ｉ，ａｄｄ}とすると、以下の式（６）を満たすキャパシタンス値を有するキャパシタを装荷すれば良い。
実際には、式（５）、式（６）にて求められたインダクタンス値Ｌ_{ｉ，ａｄｄ}、もしくはＣ_{ｉ，ａｄｄ}に極力近い値を有する素子を入手するか、作製して装荷すればよい。
以上のようにして、送電部１１０の複数のコイルの電流分布を、所望の分布とすることができることが示された。
コイルにリアクタンス性素子を装荷する構成としては、図４に示すように、コイル１１１の両端にリアクタンス性素子３０１の両端子を接続すれば良い。また、コイルの寄生容量が無視できない場合は、コイルの両端間に容量があることを示しているから、図５（ａ）に示すように、コイル配線を途中で切断し、切断した部分にリアクタンス性素子３０１の端子を直列に接続しても良いことになる。もしくは図５（ｂ）に示すように、コイルの端部にリアクタンス性素子３０１の片側の端子を装荷してもよい。
尚、装荷すべきリアクタンス性素子３０１は、かならずしもインダクタ、もしくはキャパシタのどちらかに限定しなくても良く、その両方を含んでいても良い。例えば、容量性素子Ｃ_{ｉ，ａｄｄ}の寄生インダクタンスをＬ_{ｉ，ｐａｒａ}とした場合、以下の式（７）を満たすＣ_{ｉ，ａｄｄ}、Ｌ_{ｉ，ｐａｒａ}を有するリアクタンス性素子を装荷すれば良い。
以下、回路解析を用いて、本発明による方法の有効性を示す。ここでは、受電部の位置ずれ特性を均一化するため、送電部のコイル毎の電流を一様化することを考える。
図６に示すように、送電部１１０として６つのコイル型コイルの二次元配置構造を想定し、中心のコイルの番号を０とし、中心のコイルを取り囲む６個のコイルの番号をそれぞれ１、２、３、４、５、６とする。給電装置１３０で番号１のコイルに給電させることとする。受電部は水平方向に移動することを想定しており、設計時には考慮しない。全てのコイルにはループコイルにキャパシタを装荷して使用するものとする。送電部１１０のすべてのコイルは同一構造であり、インダクタンスは１μＨ、損失抵抗は０．５Ωとし、自己キャパシタンス値は無視できるものとする。すべてのコイルの電流が等しくなるよう、すべてのコイルのα_ｉを１とした。送電部１１０の隣り合うコイル間の結合係数を−０．１、給電周波数を１３．５６ＭＨｚとすると、式（４）より求めたリアクタンス値は負となり、式（６）により、装荷すべきキャパシタンス値Ｃ_{ｉ，ａｄｄ}（ｉ＝０，…，６）は、以下のように算出された。
Ｃ_{０，ａｄｄ}＝３４４（ｐＦ）
Ｃ_{１，ａｄｄ}＝１９６．８（ｐＦ）
Ｃ_{２，ａｄｄ}＝１９６．８（ｐＦ）
Ｃ_{３，ａｄｄ}＝１９６．８（ｐＦ）
Ｃ_{４，ａｄｄ}＝１９６．８（ｐＦ）
Ｃ_{５，ａｄｄ}＝１９６．８（ｐＦ）
Ｃ_{６，ａｄｄ}＝１９６．８（ｐＦ）
ここで、受電部を、１３．５６ＭＨｚで自己共振するコイルとみなし、そのインダクタンス値を１μＨ、容量を１３７．８ｐＦ、負荷抵抗を５０Ωとして、送電部１１０の各コイル（ｉ＝０，１，…，６）の真上に隙間をあけて置くことを想定し、そのモデルを回路解析した結果を、図７に示す。本計算において、受電部のコイルとその直下にある送電部１１０のコイルの結合定数は０．３とした。また、給電は番号１のコイルに対して行い、給電装置１３０の内部抵抗は無視した。図７のグラフでは、横軸に、送電部１１０の各コイル番号を示し、縦軸に電力伝送効率を示している。また、比較対象として、従来の方式、すなわち、送電部のすべてのコイルが１３．５６ＭＨｚで自己共振するよう、１３７．８ｐＦを有している場合の伝送効率も併せて示している。図７より、本発明で提案している方法のほうが、受電部の位置によらず、安定した電力伝送を実現できていることがわかる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図８は、本発明の第１の実施形態に係わる電力供給装置の斜視図である。図８（ａ）は、送電部１１０の複数のコイル８１１が一次元状（列状）に配列された場合であり、図８（ｂ）は、送電部１１０の複数のコイル８１１が二次元状（面状）に配列された場合である。いずれにおいても、コイル８１１には、図５（ａ）のコイル１１１のように、コイル配線の途中が切断されてそこにリアクタンス性素子３０１が装荷されている。リアクタンス性素子３０１のリアクタンス値は、上記式（４）を満たす関係式を満たす値に極めて近い値（実質上等しい値）となっている。尚、各リアクタンス性素子３０１は、図５（ｂ）のようにコイル先端に装荷されていても良い。さらに、リアクタンス性素子は、図４のようにコイルに並列に装荷されていても良いし、複数のリアクタンス性素子がコイルに並列に装荷されていても良い。さらに、各リアクタンス性素子は、容量性素子であっても良いし、誘導性素子であっても良い。
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係わる電力供給装置の斜視図である。図９では、送電部１１０の複数のコイルがそれぞれ一巻のループコイル９１１となっている。また、図９（ａ）では複数のループコイル９１１が一次元状に配列された場合であり、図９（ｂ）は、複数のループコイル９１１が二次元状に配列された場合である。いずれにおいても、ループ９１１には、図１０に示すループコイル１０１１のように、コイルの途中にリアクタンス性素子３０１が直列に装荷されている。リアクタンス性素子３０１のリアクタンス値は、上記式（４）を満たす関係式を満たす値に極めて近い値（実質上等しい値）となっている。リアクタンス性素子は、複数個がコイルに直列に装荷されていても良い。さらに、各リアクタンス性素子は、容量性素子であっても良いし、誘導性素子であっても良い。また、本発明の実施形態において、受電部（受電装置）９１２は、図９に示したような一巻のループコイルであっても良いし、多数巻のループコイルであっても良い。
尚、上記実施形態においては、ヘリカル型、もしくは一巻のループ型のコイルを例示したが、コイルとしては、例えば、図１１（ａ）に示す平面スパイラル状のコイルを用いてもよい。平面スパイラル状のコイル１１０１は、従来のプリント回路基板に実装できるという利点がある。すなわち、プリント基板の表面または裏面にスパイラルコイル１１０１を一つ実装しておいてもよい。
または、平面スパイラル状のコイルをプリント基板の両面に実装してもよい。例えば、図１１（ａ）の平面スパイラル状のコイル１１０１をプリント基板の表側に実装し、図１１（ｂ）のコイル１１０２をプリント基板の裏面に実装する。
図１１（ｂ）は、プリント基板の裏面に実装されるコイル１１０２を表面側から透視したものである。このとき、接合点１１０３で表面側コイル１１０１と裏面側コイル１１０２とを導体接続することにより、両面実装として一続きのスパイラルコイルを構成することができる。
上記導体接続の代わりに、表面側コイル１１０１と裏面側コイル１１０２をリアクタンス性素子で接続することにより、本発明で必要となる直列装荷型のリアクタンス性素子装荷型コイルを構成することができる。
一方、上記導体接続をそのままにして、表面側コイル１１０１、裏面側コイル１１０２の導体接続がされていないほうの先端部同士をリアクタンス性素子で接続することにより、本発明で必要となる並列装荷型のリアクタンス性素子を構成することができる。
尚、リアクタンス性素子は、表面側コイル１１０１の中に埋め込まれても良いし、裏面側コイル１１０２の中に埋め込まれても良い。
ここでは表面実装と両面実装の場合を説明したが、多層基板においても各々の層のスパイラル導体と層間を接続する導体とにより、多層基板上で様々なスパイラル導体実装が可能となる。
さらに、多層基板においても各々の層のスパイラル導体と層間を接続するリアクタンス性素子とにより、多層基板上で様々な容量性素子装荷型スパイラル導体実装が可能となる。この場合、リアクタンス性素子は、表面側コイルの中に埋め込まれても良いし、裏面側コイルの中に埋め込まれても良い。
また、図１１（ａ）、図１１（ｂ）では、矩形であって矩形の各辺が直線的形状であるスパイラルコイルを例示したが、曲線のスパイラルであっても良いことは言うまでもない。
また、スパイラル状コイルが高誘電体基板に実装されていてもよい。または、スパイラル状コイルが磁性体上に実装されていてもよい。これにより、磁束密度を高め、コイルの小型化を図ることができる。
送電部のコイルを、剛性を有する二枚の基板で挟んで、送電部が曲がらないように剛性を持たせてもよい。または、送電部の共鳴体（コイル）を、柔軟性を有する二枚のシートで挟んで、送電部が柔軟に曲がるようにしておいてもよい。
（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態に係わる電力供給装置の一部であるリアクタンス計算装置を機能的に示すブロック図である。
本リアクタンス計算装置は、回路定数入力部１２０１、所望電流分布入力部１２０２、周波数入力部１２０３、装荷素子リアクタンス計算部１２０４、装荷素子リアクタンス表示部１２０５、とからなる。
回路定数入力部１２０１は、前述した送電部１１０の複数のコイルの情報を入力する入力部を含む。回路定数入力部１２０１は、具体的には、各コイルの自己インダクタンス、自己キャパシタンス、各コイル間の相互インダクタンス（もしくは結合定数）の値を入力する入力部を含む。所望電流分布入力部１２０２は、コイル毎に流したい所望の電流値を入力する入力部を含む。周波数入力部１２０３は、使用周波数を入力する入力部を含む。
装荷素子リアクタンス計算部１２０４は、回路定数入力部１２０１からの複数のコイルに関する情報、所望電流分布入力部１２０２からの電流に関する情報、周波数入力部１２０３からの周波数に関する情報を入力情報とし、上記式（４）、または式（５）、もしくは式（６）に従い、各コイルに装荷すべきリアクタンス値、またはインダクタンス値、もしくはキャパシタンス値を計算する計算部を含む。装荷素子リアクタンス表示部１２０５は、装荷素子リアクタンス計算部１２０４で計算されたリアクタンス値、またはインダクタンス値、もしくはキャパシタンス値を表示する表示部を含む。
本発明の第３の実施形態では、本リアクタンス計算装置により表示されたリアクタンス値、またはインダクタンス値、もしくはキャパシタンス値に該当する素子を各コイルに装荷しているものとする。
（第４の実施形態）
図１３は、本発明の第４の実施形態に係わる電力供給装置の一部であるリアクタンス計算装置を機能的に示すブロック図である。
本リアクタンス計算装置は、コイル構造、材料、位置情報、及び計算周波数帯域の入力部１３０１、所望電流分布入力部１２０２、周波数入力部１２０３、回路定数計算部１３０２、装荷素子リアクタンス計算部１２０４、装荷素子リアクタンス表示部１２０５、とからなる。
コイル構造、材料、位置情報、及び計算周波数帯域の入力部１３０１は、前述した送電部１１０の複数のコイルの構造、コイルを構成する材料、各コイルの位置情報、さらには本電力供給装置が設置される環境を構成している背景材料（図１７で言えば壁や床の材料）に関する情報を入力する入力部を含む。所望電流分布入力部１２０２は、コイル毎に流したい所望の電流値を入力する入力部を含む。周波数入力部１２０３は、使用周波数を入力する入力部を含む。
回路定数計算部１３０２は、コイル構造、材料、位置情報、及び計算周波数帯域の入力部１３０１からの各種情報を入力とし、電磁界シミュレータを用いて回路定数を計算する計算部を含む。尚、ここで回路定数とは、コイル毎のリアクタンス値、またはインダクタンス値、もしくはキャパシタンス値、さらに、各コイル間の相互インダクタンス、もしくは結合係数を含む。
装荷素子リアクタンス計算部１２０４は、回路定数計算部１３０２で計算された回路定数、所望電流分布入力部１２０２からの電流に関する情報、周波数入力部１２０３からの周波数に関する情報を入力情報とし、上記式（４）、または式（５）、もしくは式（６）に従い、各コイルに装荷すべきリアクタンス値、またはインダクタンス値、もしくはキャパシタンス値を計算する計算部を含む。装荷素子リアクタンス表示部１２０５は、装荷素子リアクタンス計算部１２０４で計算された各コイルの装荷すべきリアクタンス値を表示する表示部である。
本発明の第４の実施形態では、本リアクタンス計算装置により表示されたリアクタンス値、またはインダクタンス値、もしくはキャパシタンス値に該当する素子を各コイルに装荷しているものとする。
上記第４の実施形態において、回路定数計算部１３０２は電磁界シミュレータを用いて回路定数を計算する計算部を含むとした。電磁界シミュレータは、実際の構造における電磁伝搬を模擬したシミュレーションを自動的に行い、インピーダンス等の回路定数を抽出する機能を有しているのが一般的である。実際に、電磁界シミュレータとポスト処理を組み合わせて、コイルの構造情報、材料情報、位置情報から、コイル毎のリアクタンス値、インダクタンス値、キャパシタンス値、コイル間の相互インダクタンス、もしくは結合係数を算出する装置を実現するのは容易である。電磁界解析に関する説明、及び回路定数を計算する手法は、非特許文献３に示されている。
次に、上述したインピーダンスの定義に関する数式により、均一な電流分布が実現可能であることを電磁界シミュレーションにより確認したので、以下に説明する。電磁界シミュレータには三次元電磁界解析シミュレータＦＥＫＯを用いた。
今回の電磁界シミュレーションでは、図１８に示すように、正方形のループコイルを９個敷き詰めた二次元給電システムに関して解析を行った。得られたシミュレーション結果により、電流値が誤差２．６％以内に収まっていることを確認できた。また、電磁波伝送シートから離れるにつれ、磁界分布がより均一になることも確かめられた。なお、図１８では、本発明の特徴を強調するために隣り合うループコイルを離して示しているが、実際には隣接するループコイルの間隔は非常に小さい。これは、後述される図２０、図２１Ａ〜図２１Ｄにおいても同様である。
今回の電磁界シミュレーションでは、ループコイルの形状を一辺２０ｃｍの正方形とし、材質は半径１ｍｍの銅線とした。リアクタンス性素子としてのキャパシタの装荷位置及び送電共振器における給電点を図１９に矢印で示す。その他のパラメータに関しては、解析空間は自由空間とし、解析周波数は１３．５６ＭＨｚとした。
まず初めに、ループコイルのインピーダンスをシミュレーションにより求めたところ、０．２５１３６＋ｊ７２．１６４であり、このリアクタンスは０．８４７μＨに相当する。続いて、各共振器間の相互インダクタンスをシミュレーションにより求めた。各ループコイルは接するのと同等程度に敷き詰めることを想定しているため、隣り合うループコイルとの線間距離を０．５ｍｍとした。つまり、隣り合うループコイルとの中心間距離はループコイルの一辺２０ｃｍと線径ｌｍｍを含めて２０．１５ｃｍである。隣り合う共振器間の相互インダクタンスのインピーダンスの大きさωＭは、図２０に示すように１１．０５８Ωであった。
続いて、その他の間隔におけるωＭをシミュレーションにより求めた。その結果を図２１Ａ〜図２１Ｄに示す。これらの値から装荷すべきキャパシタンスを計算したところ、９個のうちの中央のループコイルは５１１．１ｐＦ、４隅のループコイルは２４５．２ｐＦ、残りの４つは３２６．９ｐＦである。これらのキャパシタを装荷し受電共振器が存在しない条件下で、中央の共振器５に給電した場合の電流値と電磁界分布をシミュレーションにより求めた。電圧は１０Ｖ、電源の出力インピーダンスは０Ωとした。各ループコイルに流れている電流を確認したところ、電源電圧を１０＋ｊ０Ｖとしたとき、図１８の共振器番号を用いて説明すると、共振器１が４．０８３−ｊ１．１４６Ａ，共振器２が４．０７０−ｊ１．１７９Ａ、共振器３が４．０５８−ｊ１．１３９Ａ，共振器４が４．０６９−ｊ１．１７９Ａ、共振器５が４．０４８−ｊ１．３４９Ａ，共振器６が４．０２８−ｊ１．１６８Ａ、共振器７が４．０５５−ｊ１．１３８Ａ，共振器８が４．０２７−ｊ１．１６８Ａ、共振器９が４．００４−ｊ１．１２５Ａであった。最も電流値が大きいのは共振器５で、最も電流値が小さいのは共振器９である。共振器９の電流値の大きさを共振器５の電流値の大きさで割ると約０．９７５であり、差は約２．５％程度であることが確認できた。
次に、図２２に図１８に示したループコイル配置の電界強度分布を、図２３には磁界強度分布をそれぞれ示す。キャプションのｄはループコイルからの高さである。図２２を見ると、隣り合う共振器の生成する電界が打ち消し合っており、そのため外周の電界が大きく残っていることが確認できる。
一方、図２３により、中央の共振器５の上では周りのループコイルが生成する磁界により、磁界が弱められていることが見てとれる。より均一な磁界分布を生成するにはより多くの共振器を敷き詰め、同じ条件の共振器を増やすのが適切であると考えられる。しかし、高さが高くなるに従って磁界分布が均一になっていることが確認できた。
以上、本発明を、複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、請求項に記載された本発明の精神や範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
例えば、式（１）から式（７）において、Ｍ_ｉｋはコイルｉとコイルｋ（ｋ≠ｉ）との間の相互インダクタンスを表すが、コイルｉ以外のすべてのコイルｋに対して相互インダクタンス値Ｍ_ｉｋを非零の値として考慮する必要はない。例えば、一般にコイル間の相互インダクタンスはコイル間距離が大きいほど小さくなり、全体の電流分布に与える影響も小さくなるため、コイルｉに隣接するコイルとコイルｉとの相互インダクタンス値のみを非零の値として各式内で考慮し、コイルｉに隣接しないコイルとコイルｉとの相互インダクタンスは０とみなしても良い。
例えば、送電部と受電装置との間は一般的には空気であるが、送電部と受電装置との間に、水、海水、土、砂、壁、誘電体があっても良い。また、送電部と受電装置を取り囲むように、水、海水、土、砂、壁、誘電体があっても良い。
例えば、送電部１１０はＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）リーダー用のアンテナであってもよい。受電装置１２０はＲＦＩＤのタグであってもよい。
例えば、受電装置はロボット等の動くもの、例えば自走型の床掃除機のようなもの、あるいは自律型の潜水艦であってもよい。
例えば、図１４（ａ）（複数のコイルを一次元的に配置），図１４（ｂ）（複数のコイルを二次元的に配置）に示すように、送電部１１０の各コイル８１１の開口部は必ずしも受電装置１２０の側を向いていなくてもよい。また、送電部１１０の複数のコイル８１１の開口部の向きは、不一致であってもよい。
例えば、図１５に示すように、送電部１１０の複数のコイル８１１を三次元状に配置してもよい。このとき、受電装置１２０は複数のコイルの三次元配置の外部にあっても良いし、内部にあっても良い。受電装置１２０に位置によらず、受電効率を維持できるという利点は、一次元的配置、二次元的配置の場合と同一である。
例えば、図１６に示すように、リアクタンス性素子３０１（図１６ａ）は、外部信号Ｖ_ｃにより制御可能な可変インピーダンス素子１６０１（図１６ｂ）であっても良い。この際、外部信号Ｖ_ｃは有線ケーブルにより制御できてもよいし、無線信号により制御できてもよい。さらに、上記可変インピーダンス素子１６０１には、可変容量素子１６０２（図１６ｃ）が含まれていても良い。可変容量素子は、ダイオードを用いて実現されていてもよい。さらに、上記可変インピーダンス素子１６０１は、可変インダクタンス素子１６０３（図１６ｄ）が含まれていても良い。上記可変インダクタンス素子１６０３は、受動インダクタと可変容量素子１６０２（図１６ｃ）の組み合わせで実現されていてもよい。上記可変インダクタンス素子１６０３の可変性は、受動インダクタと磁性材料の位置関係を制御信号で制御することにより実現されてもよい。
この出願は、２０１２年８月２４日に出願された日本出願特願第２０１２−１８４７８４号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。(Basic concept)
First, FIG. 1 shows a configuration example of a main part of a power supply apparatus to be realized by the present invention.
In FIGS. 1A and 1B, the power receiving device 120 is not in electrical contact with the power transmission unit 110.
The power transmission unit 110 includes a plurality of coils 111, and the plurality of coils 111 are arranged one-dimensionally (linearly or curvilinearly) (FIG. 1a) or two-dimensionally (planarly) (FIG. 1b). ing.
For example, a helical coil or a spiral coil is typical as the coil 111. In FIG. 1, the coil 111 is a helical coil.
The power transmission unit 110 may be, for example, a room wall or a floor itself. That is, as an example, a plurality of coils 111 may be embedded in one surface of the floor, wall, or ceiling 115 of the room and used as the power transmission unit 110. The material of the floor, wall, or ceiling 115 may be anything as long as it does not impair the function as the power transmission unit.
The power feeding device 130 supplies power to one or a plurality of coils 111. An alternating current may flow from the power feeding device 130 to the coil 111. Alternatively, an oscillating magnetic field may be applied to the coil 111.
In this configuration, when power is supplied from the power supply device 130 to one or a plurality of coils 111, the power propagates between adjacent coils in the power transmission unit 110. And electromagnetic waves leak from the power transmission part 110 as shown to Fig.1 (a), (b).
At this time, it is desired to increase the current value of the coil directly under the power receiving device 120 as much as possible so that the electromagnetic wave that leaks can efficiently supply power to the power receiving device 120 at a desired position. Furthermore, there is a case where it is desired to pass a substantially uniform current for each coil in the power transmission unit 110 so that the power receiving device can receive power efficiently regardless of the position.
For example, in FIG. 1A, it is assumed that there are three power receiving apparatuses 120 to which power is supplied. In this case, it is desired that the electromagnetic field intensity be uniform at the three power receiving devices 120.
The theoretical background and specific configuration that enable such power supply will be described below.
(idea)
The inventors of the present invention, after intensive research, when a plurality of coils are arranged, by loading a reactive element having an appropriate reactance value (inductive or capacitive) for each coil, A method that can obtain the current distribution has been developed.
Thus, for example, when a plurality of coils 111 are arranged one-dimensionally (in a line) as shown in FIG. 2 and one coil is fed from a power feeding device, an appropriate reactive element is loaded on the coil, It was confirmed that the magnetic field value for each coil, that is, the current distribution can be made uniform. The theoretical basis will be described below.
FIG. 3 shows N coils of the power transmission unit. Each coil is represented by a subscript i (i = 1,..., N). Where the current of the coil is α _i Represented by I. α is a coefficient for representing the current flowing in each coil with respect to the reference current (for example, when the current flowing in the coil 0 is I (α = 1)). Angular frequency ω used for power transmission _TX , Zi (ω _TX ), The following equation (1) is established from Kirchhoff's law.
Where M _ik Is the mutual inductance between coil i and coil k. This equation is an equation that is established approximately when the capacitive coupling between different coils is negligibly small. Here, focusing on the imaginary part of the impedance, the following equation (2) is established.
This condition is that the current distribution α for each coil when the entire coil distribution is excited as a specific resonance mode when the power feeding unit is connected. ₁ I, α ₂ I, ..., α _N A relational expression that is satisfied between I is expressed.
That is, the imaginary part of the impedance is represented by the following formula (3).
Here, the self-inductance of the coil i is L _i , Self-capacitance C _i Then Im (Z _i (Ω _TX )) Value is ω _TX L _i -(1 / ω _TX C) and does not necessarily satisfy the expression (3). On the other hand, an element having a specific impedance value can be loaded on the coil i so as to satisfy the expression (3). For example, the reactance value of the reactive element to be loaded is X _i , The reactance value to be loaded is represented by the following equation (4).
X _i When is a positive value, an inductive reactive element, that is, an inductor, and when it is negative, a capacitive reactive element, that is, a capacitor may be loaded.
For example, when an inductor is loaded, its inductance value is set to L _{i, add} Then, an inductor having an inductance value satisfying the following expression (5) may be loaded.
On the other hand, when a capacitor is loaded, its capacitance value is expressed as C. _{i, add} Then, what is necessary is just to load the capacitor which has a capacitance value which satisfy | fills the following formula | equation (6).
Actually, the inductance value L obtained by the equations (5) and (6) _{i, add} Or C _{i, add} An element having a value as close as possible to the above may be obtained or manufactured and loaded.
As described above, it has been shown that the current distribution of the plurality of coils of the power transmission unit 110 can be a desired distribution.
As a configuration for loading the reactive element on the coil, both terminals of the reactive element 301 may be connected to both ends of the coil 111 as shown in FIG. In addition, when the parasitic capacitance of the coil cannot be ignored, it indicates that there is a capacitance between both ends of the coil. Therefore, as shown in FIG. The terminals of the conductive element 301 may be connected in series. Alternatively, as shown in FIG. 5B, a terminal on one side of the reactive element 301 may be loaded at the end of the coil.
The reactive element 301 to be loaded is not necessarily limited to either an inductor or a capacitor, and may include both of them. For example, capacitive element C _{i, add} The parasitic inductance of L _{i, para} C satisfying the following formula (7) _{i, add} , L _{i, para} What is necessary is just to load the reactive element which has.
Hereinafter, the effectiveness of the method according to the present invention will be shown using circuit analysis. Here, in order to make the positional deviation characteristics of the power receiving unit uniform, it is considered that the current for each coil of the power transmitting unit is made uniform.
As shown in FIG. 6, assuming a two-dimensional arrangement structure of six coil-type coils as the power transmission unit 110, the number of the center coil is 0, and the numbers of the six coils surrounding the center coil are 1, 2, respectively. 3, 4, 5, and 6. The power feeding device 130 feeds power to the coil number 1. The power receiving unit is assumed to move in the horizontal direction and is not taken into consideration during design. All coils shall be used with capacitors mounted on loop coils. All the coils of the power transmission unit 110 have the same structure, the inductance is 1 μH, the loss resistance is 0.5Ω, and the self-capacitance value is negligible. Α of all coils so that the currents of all coils are equal _i Was set to 1. When the coupling coefficient between adjacent coils of the power transmission unit 110 is −0.1 and the feeding frequency is 13.56 MHz, the reactance value obtained from the equation (4) is negative, and the capacitance value to be loaded by the equation (6). C _{i, add} (I = 0,..., 6) was calculated as follows.
C _{0, add} = 344 (pF)
C _{1, add} = 196.8 (pF)
C _{2, add} = 196.8 (pF)
C _{3, add} = 196.8 (pF)
C _{4, add} = 196.8 (pF)
C _{5, add} = 196.8 (pF)
C _{6, add} = 196.8 (pF)
Here, the power receiving unit is regarded as a coil that self-resonates at 13.56 MHz, the inductance value is 1 μH, the capacitance is 137.8 pF, the load resistance is 50Ω, and each coil (i = 0, 1,... 7) FIG. 7 shows the result of circuit analysis of the model assuming that a gap is placed immediately above 6). In this calculation, the coupling constant between the coil of the power receiving unit and the coil of the power transmitting unit 110 immediately below it is 0.3. In addition, power was supplied to the coil of No. 1, and the internal resistance of the power supply device 130 was ignored. In the graph of FIG. 7, the horizontal axis represents each coil number of the power transmission unit 110, and the vertical axis represents power transmission efficiency. In addition, as a comparison target, the transmission efficiency in the case of having a conventional method, that is, 137.8 pF so that all the coils of the power transmission unit resonate at 13.56 MHz is also shown. FIG. 7 shows that the method proposed in the present invention can realize stable power transmission regardless of the position of the power receiving unit.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 8 is a perspective view of the power supply apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8A shows a case where a plurality of coils 811 of the power transmission unit 110 are arranged in a one-dimensional shape (row shape). FIG. 8B shows a case where the plurality of coils 811 of the power transmission unit 110 are two-dimensional. This is a case where they are arranged in a (planar) form. In any case, the coil 811 is cut in the middle of the coil wiring and loaded with the reactive element 301 as in the coil 111 of FIG. 5A. The reactance value of the reactance element 301 is a value (substantially equal) that is very close to a value that satisfies the relational expression that satisfies the above formula (4). Each reactive element 301 may be loaded on the coil tip as shown in FIG. Furthermore, the reactive element may be loaded in parallel with the coil as shown in FIG. 4, or a plurality of reactive elements may be loaded in parallel with the coil. Further, each reactive element may be a capacitive element or an inductive element.
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a perspective view of a power supply apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 9, each of the plurality of coils of the power transmission unit 110 is a single loop coil 911. FIG. 9A shows a case where a plurality of loop coils 911 are arranged in a one-dimensional manner, and FIG. 9B shows a case where a plurality of loop coils 911 are arranged in a two-dimensional manner. In any case, the reactive element 301 is loaded in series on the loop 911 in the middle of the coil, like the loop coil 1011 shown in FIG. The reactance value of the reactance element 301 is a value (substantially equal) that is very close to a value that satisfies the relational expression that satisfies the above formula (4). A plurality of reactive elements may be loaded in series with the coil. Further, each reactive element may be a capacitive element or an inductive element. In the embodiment of the present invention, the power receiving unit (power receiving device) 912 may be a one-turn loop coil as shown in FIG. 9 or a multi-turn loop coil.
In the above-described embodiment, the helical type or one-loop type coil is exemplified. However, as the coil, for example, a planar spiral coil shown in FIG. 11A may be used. The planar spiral coil 1101 has an advantage that it can be mounted on a conventional printed circuit board. That is, one spiral coil 1101 may be mounted on the front surface or the back surface of the printed board.
Alternatively, planar spiral coils may be mounted on both sides of the printed board. For example, the planar spiral coil 1101 in FIG. 11A is mounted on the front side of the printed board, and the coil 1102 in FIG. 11B is mounted on the back side of the printed board.
FIG. 11B is a perspective view of the coil 1102 mounted on the back surface of the printed circuit board from the front surface side. At this time, by connecting the front side coil 1101 and the back side coil 1102 at the junction 1103, a continuous spiral coil can be configured as double-sided mounting.
By connecting the front side coil 1101 and the back side coil 1102 with a reactive element instead of the conductor connection, a series loaded reactive element loaded coil required in the present invention can be configured.
On the other hand, a parallel loading type required in the present invention is obtained by connecting the front end portions of the front side coil 1101 and the back side coil 1102 which are not connected to each other with a reactive element while leaving the conductor connection as it is. The reactive element can be configured.
Note that the reactive element may be embedded in the front side coil 1101 or in the back side coil 1102.
Although the case of surface mounting and double-sided mounting has been described here, various types of spiral conductors can be mounted on the multilayer board by using the spiral conductors of each layer and the conductors connecting the layers.
Furthermore, in the multilayer substrate, various capacitive element loaded spiral conductors can be mounted on the multilayer substrate by the spiral conductor of each layer and the reactive element connecting the layers. In this case, the reactive element may be embedded in the front side coil or in the back side coil.
Further, in FIGS. 11A and 11B, a spiral coil having a rectangular shape and each side of the rectangle being linear is illustrated, but it goes without saying that it may be a curved spiral.
Moreover, the spiral coil may be mounted on the high dielectric substrate. Alternatively, a spiral coil may be mounted on the magnetic material. Thereby, a magnetic flux density can be raised and size reduction of a coil can be achieved.
The coil of the power transmission unit may be sandwiched between two rigid boards so that the power transmission unit does not bend. Alternatively, the power transmission unit may be bent flexibly by sandwiching the resonator (coil) of the power transmission unit between two flexible sheets.
(Third embodiment)
FIG. 12 is a block diagram functionally showing a reactance calculation apparatus which is a part of the power supply apparatus according to the third embodiment of the present invention.
The reactance calculation apparatus includes a circuit constant input unit 1201, a desired current distribution input unit 1202, a frequency input unit 1203, a loading element reactance calculation unit 1204, and a loading element reactance display unit 1205.
The circuit constant input unit 1201 includes an input unit that inputs information on the plurality of coils of the power transmission unit 110 described above. Specifically, the circuit constant input unit 1201 includes an input unit that inputs values of self-inductance, self-capacitance of each coil, and mutual inductance (or coupling constant) between the coils. Desired current distribution input section 1202 includes an input section for inputting a desired current value that is desired to flow for each coil. The frequency input unit 1203 includes an input unit that inputs a use frequency.
The loading element reactance calculation unit 1204 receives, as input information, information about a plurality of coils from the circuit constant input unit 1201, information about the current from the desired current distribution input unit 1202, and information about the frequency from the frequency input unit 1203. 4), or a calculation unit that calculates a reactance value, an inductance value, or a capacitance value to be loaded on each coil in accordance with Equation (5) or Equation (6). The loading element reactance display unit 1205 includes a display unit that displays the reactance value, inductance value, or capacitance value calculated by the loading element reactance calculation unit 1204.
In the third embodiment of the present invention, it is assumed that an element corresponding to a reactance value, an inductance value, or a capacitance value displayed by the reactance calculation device is loaded on each coil.
(Fourth embodiment)
FIG. 13 is a block diagram functionally showing a reactance calculation apparatus which is a part of the power supply apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
The reactance calculation apparatus includes a coil structure, a material, position information, and a calculation frequency band input unit 1301, a desired current distribution input unit 1202, a frequency input unit 1203, a circuit constant calculation unit 1302, a loading element reactance calculation unit 1204, a loading element. A reactance display unit 1205.
The coil structure, material, position information, and calculation frequency band input unit 1301 are provided with the structure of the plurality of coils of the power transmission unit 110, the material constituting the coil, the position information of each coil, and the power supply apparatus. The input part which inputs the information regarding the background material (The material of a wall and a floor if it says in FIG. 17) which comprises the environment to be performed is included. Desired current distribution input section 1202 includes an input section for inputting a desired current value that is desired to flow for each coil. The frequency input unit 1203 includes an input unit that inputs a use frequency.
The circuit constant calculation unit 1302 includes a calculation unit that receives various information from the input unit 1301 of the coil structure, material, position information, and calculation frequency band and calculates a circuit constant using an electromagnetic field simulator. Here, the circuit constant includes a reactance value, an inductance value, or a capacitance value for each coil, and a mutual inductance or a coupling coefficient between the coils.
The loading element reactance calculation unit 1204 receives as input information the circuit constant calculated by the circuit constant calculation unit 1302, the information about the current from the desired current distribution input unit 1202, and the information about the frequency from the frequency input unit 1203. Or a calculation unit for calculating a reactance value, an inductance value, or a capacitance value to be loaded on each coil according to the equation (5) or the equation (6). The loading element reactance display unit 1205 is a display unit that displays the reactance value to be loaded of each coil calculated by the loading element reactance calculation unit 1204.
In the fourth embodiment of the present invention, it is assumed that an element corresponding to the reactance value, inductance value, or capacitance value displayed by the reactance calculation device is loaded on each coil.
In the fourth embodiment, the circuit constant calculation unit 1302 includes a calculation unit that calculates a circuit constant using an electromagnetic field simulator. The electromagnetic field simulator generally has a function of automatically performing a simulation simulating electromagnetic propagation in an actual structure and extracting circuit constants such as impedance. A device that actually calculates the reactance value, inductance value, capacitance value, mutual inductance between coils, or coupling coefficient for each coil from the structure information, material information, and position information of the coil by combining an electromagnetic field simulator and post processing. Is easy to realize. Non-patent document 3 shows a description of electromagnetic field analysis and a method for calculating circuit constants.
Next, it has been confirmed by electromagnetic field simulation that a uniform current distribution can be realized by the mathematical expression relating to the impedance definition described above, and will be described below. A three-dimensional electromagnetic field analysis simulator FEKO was used as the electromagnetic field simulator.
In this electromagnetic field simulation, as shown in FIG. 18, an analysis was performed on a two-dimensional power supply system in which nine square loop coils were laid. From the obtained simulation results, it was confirmed that the current value was within an error of 2.6%. It was also confirmed that the magnetic field distribution became more uniform as the distance from the electromagnetic wave transmission sheet increased. In FIG. 18, the adjacent loop coils are shown apart from each other in order to emphasize the feature of the present invention. However, the interval between the adjacent loop coils is actually very small. The same applies to FIGS. 20 and 21A to 21D described later.
In this electromagnetic field simulation, the shape of the loop coil was a square with a side of 20 cm, and the material was a copper wire with a radius of 1 mm. The loading position of the capacitor as the reactive element and the feeding point in the power transmission resonator are indicated by arrows in FIG. Regarding the other parameters, the analysis space was a free space and the analysis frequency was 13.56 MHz.
First, when the impedance of the loop coil is obtained by simulation, it is 0.25136 + j72.164, and this reactance corresponds to 0.847 μH. Subsequently, the mutual inductance between the resonators was obtained by simulation. Since it is assumed that each loop coil is laid out to the same extent as the contact, the distance between adjacent loop coils is set to 0.5 mm. That is, the center-to-center distance between adjacent loop coils is 20.15 cm including one side of the loop coil 20 cm and the wire diameter 1 mm. The magnitude ωM of the impedance of the mutual inductance between adjacent resonators was 11.058Ω as shown in FIG.
Subsequently, ωM at other intervals was obtained by simulation. The results are shown in FIGS. 21A to 21D. When the capacitance to be loaded is calculated from these values, the central loop coil among the nine is 511.1 pF, the loop coils at the four corners are 245.2 pF, and the remaining four are 326.9 pF. The current value and electromagnetic field distribution when these capacitors were loaded and power was supplied to the central resonator 5 under the condition that no power receiving resonator was present were obtained by simulation. The voltage was 10V, and the output impedance of the power supply was 0Ω. As a result of confirming the current flowing through each loop coil, when the power supply voltage is 10 + j0V, the resonator number of FIG. 18 is 4.083-j1.146A and the resonator 2 is 4 0.070-j1.179A, resonator 3 is 4.058-j1.139A, resonator 4 is 4.069-j1.179A, resonator 5 is 4.048-j1.349A, and resonator 6 is 4.028. -J1.168A, resonator 7 was 4.055-j1.138A, resonator 8 was 4.027-j1.168A, and resonator 9 was 4.004-j1.125A. The resonator 5 has the largest current value, and the resonator 9 has the smallest current value. Dividing the magnitude of the current value of the resonator 9 by the magnitude of the current value of the resonator 5 was about 0.975, and it was confirmed that the difference was about 2.5%.
Next, FIG. 22 shows the electric field strength distribution of the loop coil arrangement shown in FIG. 18, and FIG. 23 shows the magnetic field strength distribution. The d of the caption is the height from the loop coil. When FIG. 22 is seen, it can confirm that the electric field which an adjacent resonator produces | generates mutually cancels, Therefore, the electric field of an outer periphery remains large.
On the other hand, it can be seen from FIG. 23 that the magnetic field is weakened by the magnetic field generated by the surrounding loop coil on the central resonator 5. In order to generate a more uniform magnetic field distribution, it is considered appropriate to spread more resonators and increase the number of resonators under the same conditions. However, it was confirmed that the magnetic field distribution became uniform as the height increased.
As mentioned above, although this invention was demonstrated about several embodiment, this invention is not limited to the said embodiment. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the spirit and scope of the present invention described in the claims.
For example, in Formula (1) to Formula (7), M _ik Represents the mutual inductance between the coil i and the coil k (k ≠ i), but the mutual inductance value M for all the coils k other than the coil i. _ik Need not be considered as a non-zero value. For example, the mutual inductance between the coils generally decreases as the distance between the coils increases, and the influence on the overall current distribution also decreases. Therefore, only the mutual inductance value between the coil i adjacent to the coil i and the coil i is a non-zero value. And the mutual inductance between the coil not adjacent to the coil i and the coil i may be regarded as zero.
For example, air is generally between the power transmission unit and the power receiving device, but water, seawater, earth, sand, a wall, and a dielectric may be provided between the power transmission unit and the power reception device. Moreover, there may be water, seawater, earth, sand, a wall, and a dielectric so as to surround the power transmission unit and the power receiving device.
For example, the power transmission unit 110 may be an antenna for an RFID (Radio Frequency Identification) reader. The power receiving device 120 may be an RFID tag.
For example, the power receiving apparatus may be a moving object such as a robot, such as a self-propelled floor cleaner, or an autonomous submarine.
For example, as shown in FIG. 14A (a plurality of coils are arranged one-dimensionally) and FIG. 14B (a plurality of coils are arranged two-dimensionally), the openings of the coils 811 of the power transmission unit 110. May not necessarily face the power receiving device 120 side. Moreover, the direction of the opening part of the some coil 811 of the power transmission part 110 may be inconsistent.
For example, as shown in FIG. 15, the plurality of coils 811 of the power transmission unit 110 may be arranged in a three-dimensional manner. At this time, the power receiving device 120 may be outside or inside the three-dimensional arrangement of the plurality of coils. The advantage that the power receiving efficiency can be maintained regardless of the position of the power receiving device 120 is the same as that of the one-dimensional arrangement and the two-dimensional arrangement.
For example, as shown in FIG. 16, the reactive element 301 (FIG. 16a) generates an external signal V _c It may be a variable impedance element 1601 (FIG. 16b) that can be controlled by. At this time, the external signal V _c May be controlled by a wired cable or may be controlled by a radio signal. Furthermore, the variable impedance element 1601 may include a variable capacitance element 1602 (FIG. 16c). The variable capacitance element may be realized using a diode. Further, the variable impedance element 1601 may include a variable inductance element 1603 (FIG. 16d). The variable inductance element 1603 may be realized by a combination of a passive inductor and a variable capacitance element 1602 (FIG. 16c). The variability of the variable inductance element 1603 may be realized by controlling the positional relationship between the passive inductor and the magnetic material with a control signal.
This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2012-184784 for which it applied on August 24, 2012, and takes in those the indications of all here.

１１０送電部
１１１コイル
１２０受電装置
３０１リアクタンス性素子
８１１リアクタンス性素子装荷型コイル
９１１リアクタンス性素子装荷型一巻ループコイル
９１２受電装置（ループコイル）
１０１１一巻ループコイル
１１０１コイル（表面側コイル）
１１０２コイル（裏面側コイル）
１１０３接合点DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 Power transmission part 111 Coil 120 Power receiving apparatus 301 Reactance element 811 Reactance element loading type coil 911 Reactance element loading type one-turn loop coil 912 Power receiving apparatus (loop coil)
1011 One-turn loop coil 1101 Coil (surface side coil)
1102 Coil (back side coil)
1103 Joint point

Claims

複数のコイルが一次元的または二次元的もしくは三次元状に配置され、電磁結合によって電力を隣のコイルに伝搬させてゆくとともに、周囲に電磁界を漏洩させることによって無線による送電を行う送電部と、
一または複数の前記コイルに電力を供給する給電部と、
前記送電部からの送電電力を受電する受電装置と、を備え、
前記一次元的または二次元的もしくは三次元状に配置された複数のコイルのうち、一つ以上のコイルにリアクタンス性素子が装荷され、
前記送電部のコイルはＮ個のコイルから成り、各コイルの添え字をi(i=1,…,N)、該当コイルの自己インピーダンスをZi(ω _TX )、各コイルの所望の電流値をα _i I、送電に用いる角周波数をω _TX 、コイル間の相互インダクタンスをM _ik とした場合、各コイルに装荷するリアクタンス性素子のリアクタンス値Xiが、以下の式（８）で示される値と実質上等しいことを特徴とする電力供給装置。
A power transmission unit in which multiple coils are arranged one-dimensionally, two-dimensionally, or three-dimensionally, and power is propagated to the adjacent coil by electromagnetic coupling, and electromagnetic power is leaked to the surroundings to transmit power wirelessly When,
A power feeding unit that supplies power to one or more of the coils;
A power receiving device for receiving the transmitted power from the power transmission unit,
Among the plurality of coils arranged in a one-dimensional or two-dimensional or three-dimensional manner, one or more coils are loaded with reactive elements ,
The coil of the power transmission unit is composed of N coils, the subscript of each coil is i (i = 1,..., N), the self-impedance of the coil is Zi (ω _TX ), and the desired current value of each coil is When α _i I, the angular frequency used for power transmission is ω _TX , and the mutual inductance between the coils is M _ik , the reactance value Xi of the reactive element loaded on each coil is expressed by the following equation (8): A power supply apparatus characterized by being substantially equal .

請求項１に記載の電力供給装置において、少なくとも一つのリアクタンス性素子の両端がコイルの両端に並列接続されていることを特徴とする電力供給装置。 The power supply device according to claim 1, the power supply apparatus characterized by both ends of the at least one reactance element is connected in parallel to both ends of the coil.

請求項１に記載の電力供給装置において、少なくとも一つのリアクタンス性素子の両端をコイルの途中に挿入接続するか、又は少なくとも一つのリアクタンス性素子の一端をコイルの一端に接続することで、前記少なくとも一つのリアクタンス性素子が前記コイルに直列接続されていることを特徴とする電力供給装置。 The power supply device according to claim 1, by connecting to insert connecting both ends of at least one of the reactive elements in the middle of the coil, or the end of at least one reactive element to one end of the coil, the At least one reactive element is connected in series to the coil .

請求項１から３のいずれか１項に記載の電力供給装置において、装荷されるリアクタンス性素子がキャパシタであることを特徴とする電力供給装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 3, the power supply and wherein the reactive element to be loaded is a capacitor.

請求項１から３のいずれか１項に記載の電力供給装置において、装荷されるリアクタンス性素子がインダクタであることを特徴とする電力供給装置。 The power supply apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein the loaded reactive element is an inductor.

請求項１から５のいずれか１項に記載の電力供給装置において、回路定数入力部と、所望電流分布入力部と、周波数入力部と、装荷素子リアクタンス計算部と、装荷素子リアクタンス表示部と、から構成されるリアクタンス計算装置を含み、装荷されるリアクタンス性素子のリアクタンス値が、上記リアクタンス計算装置によって計算、表示されたリアクタンス値に実質上等しいことを特徴とする電力供給装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 5 , wherein a circuit constant input unit, a desired current distribution input unit, a frequency input unit, a loading element reactance calculation unit, a loading element reactance display unit, A power supply device comprising: a reactance calculation device comprising: a reactance value of a loaded reactive element being substantially equal to a reactance value calculated and displayed by the reactance calculation device.

請求項１から５のいずれか１項に記載の電力供給装置において、コイル構造、材料、位置情報、及び計算周波数帯域の入力部と、回路定数計算部と、周波数入力部と、所望電流分布入力部と、装荷素子リアクタンス計算部と、装荷素子リアクタンス表示部と、から構成されるリアクタンス計算装置を含み、装荷されるリアクタンス性素子のリアクタンス値が、上記リアクタンス計算装置によって計算、表示されたリアクタンス値に実質上等しいことを特徴とする電力供給装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 5 , wherein an input unit of a coil structure, material, position information, and a calculation frequency band, a circuit constant calculation unit, a frequency input unit, and a desired current distribution input A reactance value calculated by the reactance calculation device. The reactance value of the loaded reactive element is calculated and displayed by the reactance calculation device. The power supply device is substantially equal to the power supply device.

請求項１から７のいずれか１項に記載の電力供給装置において、装荷されるリアクタンス性素子のリアクタンス値が、外部信号により可変制御できることを特徴とする電力供給装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 7 , wherein the reactance value of the loaded reactive element can be variably controlled by an external signal.

請求項８に記載の電力供給装置において、前記外部信号が無線信号であることを特徴とする電力供給装置。 9. The power supply apparatus according to claim 8 , wherein the external signal is a radio signal.