JP2014003773A - Wireless power transmission apparatus and wireless power transmission method - Google Patents
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Abstract
【課題】無負荷Q値を向上させて電力伝送効率を向上させることができ、また、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる無線電力伝送装置を提供する。
【解決手段】この無線電力伝送装置1は、結合端子22、32に結合している送電側共振器2と受電側共振器3を備え、送電側共振器2から受電側共振器3に電磁界を用いて電力伝送するものにおいて、送電側共振器2と受電側共振器3は、誘電体共振器で構成され、一部に電磁界が通過する開口部21a、31aを有する遮蔽ケース21、31によって覆われ、結合される結合端子22、32は遮蔽ケース21、31の外部に電気的に通じている。
【選択図】図1A wireless power transmission device capable of improving power transmission efficiency by improving a no-load Q value and increasing a possible power transmission distance.
A wireless power transmission device includes a power transmission side resonator and a power reception side resonator that are coupled to coupling terminals, and an electromagnetic field is transmitted from the power transmission side resonator to the power reception side resonator. The power transmission side resonator 2 and the power reception side resonator 3 are constituted by dielectric resonators, and shielding cases 21 and 31 having openings 21a and 31a through which electromagnetic fields partially pass. The coupling terminals 22 and 32 that are covered and coupled to each other are electrically connected to the outside of the shielding cases 21 and 31.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、無線で電力伝送する無線電力伝送装置及び無線電力伝送方式に関する。 The present invention relates to a wireless power transmission apparatus and a wireless power transmission system that wirelessly transmit power.
無線電力伝送には、磁気誘導方式、共振型結合方式、放射電磁波方式などがある。これらの中で、非放射電磁界結合を用いる共振型結合方式は、近・中距離の電力伝送となるが、受電側が存在すればそれとの結合に応じて送電側の電力が伝送されるので、高い電力伝送効率を得ることができる。そのため、共振型結合方式は、近年、非常に注目を集めている。 Wireless power transmission includes a magnetic induction system, a resonant coupling system, and a radiated electromagnetic wave system. Among these, the resonance type coupling method using non-radiated electromagnetic field coupling is near-medium distance power transmission, but if there is a power receiving side, the power on the power transmission side is transmitted according to the coupling with it, High power transmission efficiency can be obtained. Therefore, the resonance type coupling method has attracted much attention in recent years.
図6は従来の共振型結合方式の無線電力伝送装置の基本構成を示す図である。無線電力伝送装置101では、外部から供給される電力(高周波交流電力)は、結合ループなどのインピーダンス整合手段122aを含む結合端子122を介して、金属導線をコイル状に巻いて構成される送電側共振器102に供給される。そして、その電力は、送電側共振器102と受電側共振器103の間の伝送距離sに応じた結合係数kで電磁界結合していて、金属導線をコイル状に巻いて構成される受電側共振器103に伝送される。その後、同じく結合ループなどのインピーダンス整合手段132aを含む結合端子132を介して外部の負荷に電力が供給される。この際の最大電力伝送効率は、共振器間の結合係数kと共振器の良さを示す無負荷Q値の積によって決まることが知られている。
FIG. 6 is a diagram showing a basic configuration of a conventional resonance coupling type wireless power transmission apparatus. In the wireless
電力伝送効率の更なる向上のため、従来より、さまざまな構造の提案がなされている。例えば、特許文献1には、インピーダンス整合手段と送電側共振器との間又は受電側共振器とインピーダンス整合手段との間に、別のインダクタ或いはコンデンサを配置して、無負荷Q値を高くしようとするものが記載されている。また、特許文献2には、送電側共振器及び受電側共振器のそれぞれのコイル状の金属導線を、互いに誘電率の異なる2個の誘電体で挟んで支持し、誘電率の低い方の誘電体を相手の共振器に対向させることにより、電力伝送効率を向上させようとするものが記載されている。
In order to further improve the power transmission efficiency, various structures have been proposed conventionally. For example, in
しかしながら、特許文献1及び特許文献2を含め従来の無線電力伝送装置では、送電側共振器及び受電側共振器は金属導線(通常は、銅線)をコイル状に巻いて構成されており、金属の導電率で決まる抵抗損のため、無負荷Q値の向上には限界がある。例えば、この場合の無負荷Q値は、大きくても数百〜一千のオーダーである。
However, in the conventional wireless power transmission apparatus including
また、共振型結合方式の無線電力伝送装置での結合係数kは、受電側共振器の近傍の非放射電磁界との相互作用によって決まるものであるため、送電側共振器と受電側共振器の間の距離が大きくなると、指数関数的に小さくなることは避けられないことであり、電力伝送の可能な距離には限界がある。 In addition, since the coupling coefficient k in the resonance-type wireless power transmission device is determined by the interaction with the non-radiated electromagnetic field in the vicinity of the power receiving side resonator, the power transmission side resonator and the power receiving side resonator When the distance between them increases, it is inevitable that the distance decreases exponentially, and there is a limit to the distance at which power can be transmitted.
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、無負荷Q値を向上させて電力伝送効率を向上させることができ、また、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる無線電力伝送装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and an object of the present invention is to improve the power transmission efficiency by improving the no-load Q value and to increase the power transmission possible distance. An object of the present invention is to provide a wireless power transmission device that can be used.
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装置は、結合端子に結合している送電側共振器と受電側共振器を備え、該送電側共振器から該受電側共振器に電磁界を用いて電力伝送する無線電力伝送装置において、前記送電側共振器と前記受電側共振器のうち少なくとも一方は、誘電体共振器で構成され、一部に電磁界が通過する開口部を有する遮蔽ケースによって覆われ、結合される結合端子は該遮蔽ケースの外部に電気的に通じていることを特徴とする。
To achieve the above object, a wireless power transmission device according to
請求項2に記載の無線電力伝送装置は、請求項1に記載の無線電力伝送装置において、前記送電側共振器と前記受電側共振器のうちの少なくとも一方は、TE01δ型の誘電体共振器であることを特徴とする。
The wireless power transmission device according to
請求項3に記載の無線電力伝送装置は、請求項1又は2に記載の無線電力伝送装置において、前記送電側共振器と前記受電側共振器のうちの少なくとも一方は、セラミック製の誘電体共振器であることを特徴とする。
The wireless power transmission device according to
請求項4に記載の無線電力伝送装置は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の無線電力伝送装置において、前記送電側共振器と前記受電側共振器のうちの少なくとも一方を覆う前記遮蔽ケースは、金属製の6面体であり、該遮蔽ケースの前記開口部は該6面体の1面の一部を開口したものであることを特徴とする。
The wireless power transmission device according to
請求項5に記載の無線電力伝送方式は、結合端子に結合している送電側共振器と受電側共振器を備え、該送電側共振器から該受電側共振器に電磁界を用いて電力伝送する無線電力伝送方式において、前記送電側共振器と前記受電側共振器のうち少なくとも一方は、一部に電磁界が通過する開口部を有する遮蔽ケースによって覆われ、結合される結合端子は該遮蔽ケースの外部に電気的に通じているとともに、近・中距離においては主に非放射電磁界の結合による電力伝送を行い、遠距離においては主に放射電磁界の結合による電力伝送を行うことを特徴とする。
The wireless power transmission system according to
本発明の無線電力伝送装置によれば、送電側共振器と受電側共振器のうち少なくとも一方は、誘電体共振器で構成されているので、共振器における損失を格段に少なくして無負荷Q値を向上させ、電力伝送効率を向上させることができる。また、上記の一方が送電側共振器である場合は、一部に開口部を有する遮蔽ケースで覆われ、適切な量に放射電磁界を抑制して非放射電磁界に加えることにより、また、上記の一方が受電側共振器である場合は、一部に開口部を有する遮蔽ケースで覆われ、電磁界が放射電磁界のときでも受電し易くなることにより、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる。また、本発明の無線電力伝送方式によれば、近・中距離においては主に非放射電磁界の結合による最適な電力伝送を行い、遠距離においては主に放射電磁界の結合によるある程度の(少なくとも最低限の)電力伝送を行うので、近・中距離の電力伝送効率を維持しながら電力伝送の可能な距離を大きくすることができる According to the wireless power transmission device of the present invention, since at least one of the power transmission side resonator and the power reception side resonator is composed of the dielectric resonator, the loss in the resonator is greatly reduced, and the no-load Q The value can be improved and the power transmission efficiency can be improved. In addition, when one of the above is a power transmission side resonator, it is covered with a shielding case having an opening in part, and by suppressing the radiated electromagnetic field to an appropriate amount and adding it to the non-radiated electromagnetic field, If one of the above is a power-receiving-side resonator, it is covered with a shielding case that has an opening in part, and it is easy to receive power even when the electromagnetic field is a radiated electromagnetic field, thereby increasing the distance at which power can be transmitted. can do. In addition, according to the wireless power transmission system of the present invention, optimum power transmission is mainly performed by combining non-radiated electromagnetic fields at short and middle distances, and to some extent by coupling of radiated electromagnetic fields mainly at long distances ( Since (at least the minimum) power transmission is performed, it is possible to increase the power transmission possible distance while maintaining the power transmission efficiency in the near and middle distances.
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装置1は、図1に示すように、送電側共振器2と受電側共振器3を備え、送電側共振器2から受電側共振器3に電磁界を用いて電力伝送するものである。送電側共振器2と受電側共振器3はそれぞれ、後述する結合端子22、32に結合している。この無線電力伝送装置1では、送電側共振器2の構造及びその近傍の構造と受電側共振器3の構造及びその近傍の構造とが実質的に同様なものとなっている。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the wireless
送電側共振器2は、誘電体共振器で構成されている。この誘電体共振器は、誘電正接(tanδ)が低ければ、その材料が限定されるものではないが、セラミック製であるのが好ましい。誘電正接が低い程、高い無負荷Q値が得られる。セラミック製のものは、誘電正接が極めて低いものがすでに公知である。
The power
送電側共振器2の形状及び大きさは、使用する共振周波数及び共振モードに応じたものである。図1に示すこの実施形態では、TE01δモードを共振モードとして使用しているTE01δ型の誘電体共振器なので、中心軸近傍をくり抜いた円柱形状となっている。共振周波数は、例えば、約2.4GHzとすることができる。この場合の電磁界分布は、図2に示すように、電界ベクトルが円柱形状の円周方向に発生して分布し、磁界ベクトルは電界ベクトルに直交して送電側共振器2の内部と外部に発生して分布する。なお、使用する共振周波数及び共振モード、及びそれに応じた送電側共振器2の形状及び大きさは、限定されるものではなく、所望の特性に合わせて種々のものを適用することが可能である。
The shape and size of the power
送電側共振器2は、遮蔽ケース21によって覆われている。遮蔽ケース21には、一部に電磁界が通過する開口部21aを有している。この遮蔽ケース21は、開口部21aの部分を除いて送電側共振器2のほぼ全体を覆う。詳細には、遮蔽ケース21は、金属製の6面体(直方体或いは立方体)であり、開口部21aはこの6面体の1面の一部を開口したものである。また、開口部21aは、送電側共振器2と受電側共振器3の間の位置に設けられている。なお、図1においては、遮蔽ケース21(及び後述する遮蔽ケース31)を透視して内部を描いている。
The power
遮蔽ケース21は、開口部21a以外の部分において、放射電磁界(電磁波)を閉じ込めるものである。誘電体共振器で構成される送電側共振器2は、非放射電磁界とともに放射電磁界を多く発生するので、放射電磁界を閉じ込めないと、電力(エネルギー)が周囲に放射されて無負荷Q値が急激に下がるからである。
The shielding
遮蔽ケース21の開口部21aは、非放射電磁界と放射電磁界が通過する。遮蔽ケース21の開口部21aは、適切な量に放射電磁界を抑制するように、形状及びサイズを決めることになる。開口部21aを通過する非放射電磁界と放射電磁界を含む電磁界の量は、後述する実験結果に示すように、開口部21aのサイズ(面積)だけではなく、その形状にも依存する。
A non-radiated electromagnetic field and a radiated electromagnetic field pass through the opening 21 a of the shielding
送電側共振器2は、上述したように結合端子22に結合しており、結合端子22は、遮蔽ケース21の外部に電気的に通じている。詳細には、結合端子22は、遮蔽ケース21の内側に設けられ、磁界などによって送電側共振器2と結合する結合ループ22aと、その結合ループ22aに電気的に接続され、外部から電力(高周波交流電力)が供給され得る外部端子部22bと、を有している。
The power
送電側共振器2は、それよりも低い誘電率の支持台23により、遮蔽ケース21に接しないように保持されている。支持台23は、セラミック製とすることができる。
The power
このような送電側共振器2は、結合端子22を介して外部からの電力に励振され、非放射電磁界と放射電磁界を発生する。送電側共振器2は、セラミック製のような誘電正接が極めて低い材料を用いることにより、損失が格段に少なくすることができ、無負荷Q値を向上(例えば、数万のオーダーに)することが可能である。その結果、電力伝送効率を向上させることができる。
Such a power
また、送電側共振器2は、適切な量の放射電磁界が非放射電磁界に加えられることにより、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる。受電側共振器3は、非放射電磁界が強い近・中距離に位置していると、非放射電磁界に主に結合して最適な(電力伝送効率の高い)電力伝送が可能である。受電側共振器3は、非放射電磁界が微弱になる遠距離に位置していると、そこに伝播する放射電磁界に主に結合してある程度の(少なくとも最低限の)電力伝送が可能になる。その結果、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる。
Further, the power
次に、受電側共振器3を説明する。受電側共振器3は、上述したように、送電側共振器2と実質的に同様の構造であり、受電側共振器3の近傍の構造も送電側共振器2の近傍と実質的に同様の構造である。すなわち、受電側共振器3は、送電側共振器2と同様の誘電体共振器で構成されており、遮蔽ケース21と同様の遮蔽ケース31によって覆われている。遮蔽ケース31は、開口部21aと同様の開口部31aを有している。開口部31aは、送電側共振器2と受電側共振器3の間の位置に設けられている。受電側共振器3は、結合端子22と同様の結合端子32に結合している。結合端子32は、結合ループ22aと同様の結合ループ32aと、外部端子部22bと同様であって外部に電力(高周波交流電力)を出力し得る外部端子部32bと、を有している。受電側共振器3は、支持台23と同様の支持台33により保持されている。
Next, the power receiving
受電側共振器3には、送電側共振器2からの距離に応じて非放射電磁界又は放射電磁界を用いて電力伝送される。受電側共振器3に伝送された電力は、結合端子32を介して外部の負荷に供給される。負荷は、通信端末機などの機器の所要の機能を発揮するための回路である。受電側共振器3は、送電側共振器2と同様に、セラミック製のような誘電正接が極めて低い材料を用いることにより、損失を格段に少なくすることができ、無負荷Q値を向上(例えば、数万のオーダーに)することが可能である。その結果、電力伝送効率を向上させることができる。
Power is transmitted to the power receiving
また、受電側共振器3は、一部に開口部31aを有する遮蔽ケース31で誘電体共振器を覆うことで、電力伝送の電磁界が放射電磁界のときでも適切な量を受電し易くすることにより、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる。
Further, the power receiving
次に、本願発明者によるシミュレーションとサンプルの実験について述べる。送電側共振器2と受電側共振器3はともに、中心軸近傍をくり抜いた円柱形状とし、大きさは、外径A、A’を25mm、長手方向の長さB、B’を10mmとしている。また、共振周波数が約2.4GHzのTE01δモードを共振モードとして使用している。遮蔽ケース21と遮蔽ケース31はともに、金属製の6面体とし、開口部21a、31aが形成される一面は互いに対面させている。遮蔽ケース21、31の開口部21a、31aが形成される一面は、送電側共振器2及び受電側共振器3の円柱形状の長手方向と同じ方向の辺の長さC、C’が50mm、それと垂直な方向の辺の長さD、D’が80mmとしている。また、この一面に対して垂直な方向の辺の長さE、E’は80mmとしている。
Next, simulations and sample experiments by the inventors will be described. Both the power
図3は、送電側共振器2(又は受電側共振器3)の無負荷Q値(Qu)について、遮蔽ケース21(又は31)の一面に対する開口部21a(又は31a)の開口率(面積比)との関係を示すシミュレーション実験の結果である。図3の曲線a(実線)は、遮蔽ケース21(又は31)の100%開放された一面を、水平方向に長い2個の金属板でもって上端部及び下端部を塞いで、図1に示すように開口部21a(又は31a)を形成した場合のものである。曲線b(破線)は、遮蔽ケース21(又は31)の100%開放された一面を、垂直方向に長い2個の金属板でもって左端部及び右端部を塞いで、図4に示すように開口部21a(又は31a)を形成した場合のものである。曲線aは、開口率を減少させるに従って、負荷Q値が増加し、2万程度までに増加している。これより、磁界ベクトルの方向の開口の長さを短くすることによって放射が抑えられ、高い無負荷Q値が得られていることがわかる。一方、曲線bは、顕著な変化は見られない。
FIG. 3 shows the aperture ratio (area ratio) of the
図5は、無負荷Q値(Qu)と結合係数kとの積(k・Qu)について、遮蔽ケース21と遮蔽ケース31の距離s’に対する変化を示すシミュレーションとサンプルの実験の結果である。図5(a)の曲線c(破線)と曲線d(実線)はそれぞれ、遮蔽ケース21の一面に対する開口部21aの開口率(及び遮蔽ケース31の一面に対する開口部31aの開口率)が100%の場合のシミュレーションとサンプルの実験のものである。図5(b)の曲線e(破線)と曲線f(実線)はそれぞれ、水平方向に長い2個の金属板でもって上端部及び下端部を塞いで、遮蔽ケース21の一面に対する開口部21aの開口率(及び遮蔽ケース31の一面に対する開口部31aの開口率)を64%にした場合のシミュレーションとサンプルの実験のものである。
FIG. 5 is a result of simulation and sample experiment showing a change with respect to the distance s ′ between the shielding
この実験結果によると、遮蔽ケース21と遮蔽ケース31の距離s’が大きくなるに従って、無負荷Q値Quと結合係数kとの積の値は急激に減少するが、距離s’が大体2〜3cmのところから、減少の傾きが緩やかになる。これは、距離s’が大体2〜3cmまでは非放射電磁界の結合による伝送が主であるのに対して、それ以上では放射電磁界の結合による伝送が主となることを示している。これにより、電力伝送の可能な距離を大きくできることが分かる。
According to this experimental result, as the distance s ′ between the shielding
なお、このような無線電力伝送装置1は、送電側共振器2と受電側共振器3のうち一方の共振器及びその近傍の構造だけを残し、他方の共振器及びその近傍の構造を他の構造のものに置き換えることも場合によっては可能である。送電側共振器2の方だけを残した場合は、上述したように、送電側共振器2の無負荷Q値を向上させて、電力伝送効率を向上させることができ、また、非放射電磁界と放射電磁界を用いて電力伝送の可能な距離を大きくすることができる。また、受電側共振器3の方だけを残した場合は、上述したように、受電側共振器3の無負荷Q値を向上させて、電力伝送効率を向上させることができ、また、電力伝送の電磁界が放射電磁界のときでも適切な量を受電し易くすることにより、電力伝送の可能な距離を大きくすることができる。
Note that such a wireless
また、このような無線電力伝送装置1による無線電力伝送方式、すなわち、近・中距離においては主に非放射電磁界の結合による最適な電力伝送を行い、遠距離においては主に放射電磁界の結合によるある程度の(少なくとも最低限の)電力伝送を行う方式は、近・中距離の電力伝送効率を維持しながら電力伝送の可能な距離を大きくすることができる非常に有用な方式である。この方式の実現には、送電側共振器2と受電側共振器3に誘電体共振器を用いるが、非放射電磁界の結合による電力伝送と放射電磁界の結合による電力伝送をともに行えるのならば、他の共振器を用いることも場合によっては可能である。いずれの場合でも、送電側共振器2と受電側共振器3のうち少なくとも一方は、上記の遮蔽ケース21(又は31)によって覆われ、上記の結合端子22(又は32)に結合されるのが好ましい。
In addition, the wireless power transmission method by the wireless
以上、本発明の実施形態に係る無線電力伝送装置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。 The wireless power transmission device according to the embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to that described in the above-described embodiment, and various modifications within the scope of the matters described in the claims. Design changes are possible.
1 無線電力伝送装置
2 送電側共振器
21 送電側の遮蔽ケース
21a 送電側の遮蔽ケースの開口部
22 送電側の結合端子
23 送電側の支持台
3 受電側共振器
31 受電側の遮蔽ケース
31a 受電側の遮蔽ケースの開口部
32 受電側の結合端子
33 受電側の支持台
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記送電側共振器と前記受電側共振器のうち少なくとも一方は、誘電体共振器で構成され、一部に電磁界が通過する開口部を有する遮蔽ケースによって覆われ、結合される結合端子は該遮蔽ケースの外部に電気的に通じていることを特徴とする無線電力伝送装置。 In a wireless power transmission device including a power transmission side resonator and a power reception side resonator coupled to a coupling terminal, and transmitting power from the power transmission side resonator to the power reception side resonator using an electromagnetic field.
At least one of the power transmission side resonator and the power reception side resonator is formed of a dielectric resonator, and is covered with a shielding case having an opening part through which an electromagnetic field passes, and a coupling terminal to be coupled is A wireless power transmission device, wherein the wireless power transmission device is electrically connected to the outside of the shielding case.
前記送電側共振器と前記受電側共振器のうち少なくとも一方は、一部に電磁界が通過する開口部を有する遮蔽ケースによって覆われ、結合される結合端子は該遮蔽ケースの外部に電気的に通じているとともに、近・中距離においては主に非放射電磁界の結合による電力伝送を行い、遠距離においては主に放射電磁界の結合による電力伝送を行うことを特徴とする無線電力伝送方式。 In a wireless power transmission system including a power transmission side resonator and a power reception side resonator coupled to a coupling terminal, and transmitting power from the power transmission side resonator to the power reception side resonator using an electromagnetic field,
At least one of the power transmission side resonator and the power reception side resonator is covered with a shielding case having an opening through which an electromagnetic field passes, and a coupling terminal to be coupled is electrically connected to the outside of the shielding case. Wireless power transmission system characterized in that power is transmitted mainly by coupling of non-radiated electromagnetic fields at short and medium distances, and power transmission is performed mainly by coupling of radiated electromagnetic fields at long distances. .
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