JP6644234B2 - 無線電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、非放射電磁界結合を用いて無線電力伝送を行う共振型結合方式の無線電力伝送装置に関する。

従来より、非放射電磁界結合を用いて無線電力伝送を行う共振型結合方式の無線電力伝送装置が知られている。共振型結合方式の無線電力伝送装置は、送電共振器を有しており、受電共振器を有する受電装置が電力伝送範囲内に有るとき、送電共振器と受電共振器が、非放射電磁界、すなわち磁界又は電界を介して共振結合することによって受電装置に電力が伝送される。

この共振型結合方式の無線電力伝送装置の中には、複数の送電共振器を有するものが知られている。例えば、特許文献１には、２個の送電共振器を互いに略直交するように配置し、それらを９０°位相差を付けて励振することで、電磁界（特に磁界）の向きを時間とともに回転するようにして、受電装置の向きに係わらず安定して受電装置に電力伝送できる無線電力伝送装置が記載されている。

特開２０１３−２４７７１８号公報

しかし、複数の送電共振器を用いて電磁界の向きなどを精度良く制御することについては、開発の余地が残されている。本願発明者は、複数の送電共振器の相互の空間的な電磁界結合に着目し、受電装置の位置における電磁界を精度良く制御可能な無線電力伝送装置を案出した。

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、複数の送電共振器を用いたものであっても、受電装置の位置における電磁界を精度良く制御可能な無線電力伝送装置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装置は、相互に空間的に電磁界結合している第１及び第２の送電共振器と、少なくとも1個の高周波電源を有し、前記第１及び第２の送電共振器の励振を制御する送電制御器と、前記第１及び第２の送電共振器の間に設けられ、それらの前記電磁界結合の一部もしくは全部をキャンセルする結合調整回路と、を具備し、前記第１の送電共振器と前記第２の送電共振器の前記電磁界結合は、磁界による結合が電界による結合より大きくなっており、前記結合調整回路は、コンデンサを含み、該コンデンサによって前記電磁界結合の磁界による結合の一部もしくは全部をキャンセルする、又は前記第１の送電共振器と前記第２の送電共振器の前記電磁界結合は、電界による結合が磁界による結合より大きくなっており、前記結合調整回路は、インダクタを含み、該インダクタによって前記電磁界結合の電界による結合の一部もしくは全部をキャンセルする、ことを特徴とする。

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、前記結合調整回路は、前記第１の送電共振器の巻き線と前記第２の送電共振器の巻き線とに直接接続するように設けられていることを特徴とする。

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、前記結合調整回路は、回路定数を可変とする構成としたことを特徴とする。

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、前記送電制御器は、第１及び第２の高周波電源を有し、これらの出力信号により前記第１及び第２の送電共振器の各々を励振することを特徴とする。

請求項５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、前記送電制御器は、高周波電源とその出力信号を入力する位相器を有し、該高周波電源の前記出力信号により前記第１及び第２の送電共振器のうち一方を、前記位相器の出力信号により前記第１及び第２の送電共振器のうち他方を励振することを特徴とする。

本発明の無線電力伝送装置によれば、複数の送電共振器を用いたものであっても、受電装置の位置における電磁界を精度良く制御可能となる。

本発明の実施形態に係る無線電力伝送装置の構成を模式的に示すブロック図である。 同上の無線電力伝送装置の第１及び第２の励振信号の波形図である。 同上の無線電力伝送装置の送電制御器の変形例を示すブロック図である。 同上の無線電力伝送装置の結合調整回路の１例を示す回路図である。 同上の無線電力伝送装置の結合調整回路の他例を示す回路図である。 同上の無線電力伝送装置から電力が伝送される受電装置の構成を模式的に示す斜視図である。 同上の無線電力伝送装置の磁界ベクトルの変化の様子を示す平面視の模式図である。 同上の無線電力伝送装置に対する受電共振器の配置を示す平面視の模式図である。 同上の無線電力伝送装置の伝送効率を示す特性図である。 同上の無線電力伝送装置の変形例を模式的に示すブロック図である。

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装置１は、図１に示すように、第１の送電共振器２ｘ、第２の送電共振器２ｙと、送電制御器３と、結合調整回路４を具備している。この無線電力伝送装置１は、受電装置５が電力伝送範囲内に有るとき、共振型結合方式でもって受電装置５に電力を伝送することができる。

第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙは、相互に空間的に電磁界結合している。第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙは、送電制御器３によって励振される。この実施形態では、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙは、互いに略直交するように配置され、送電制御器３によって、図２に示すような９０°の位相差を付けて励振されている。第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙは、その形状が限定されるものではないが、例えば、図１に示すような巻き線２０ｘ、２０ｙが平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるスパイラルコイルとすることが可能である。なお、図１においては、巻き線２０ｘ、２０ｙの一端（内端）と他端（外端）は、配線により接続されているが、一端と他端をオープン状態にしたりコンデンサを介して配線により接続したりしてもよい。

送電制御器３は、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの励振を制御する。送電制御器３は、詳細には、第１及び第２の高周波電源３１ｘ、３１ｙを有し、これらの出力信号（第１及び第２の励振信号）Ｖｘ、Ｖｙにより、結合ループ３２ｘ、３２ｙを介して、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの各々を励振する。結合ループ３２ｘ、３２ｙはそれぞれ、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙに電磁界結合しており、インピーダンスの整合を行う。なお、結合ループ３２ｘ、３２ｙは、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。

送電制御器３は、図３に示すように、高周波電源３１とその出力信号Ｖｘを入力する位相器３３を有し、高周波電源３１の出力信号Ｖｘにより第１の送電共振器２ｘを、位相器３３の出力信号Ｖｙにより第２の送電共振器２ｙを励振することも可能である。

結合調整回路４は、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの間に設けられている。結合調整回路４は、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの空間的な電磁界結合の一部もしくは全部をキャンセルする（打ち消す）。結合調整回路４は、第１の送電共振器２ｘの巻き線２０ｘと第２の送電共振器２ｙの巻き線２０ｙとに直接接続することができる。

図４及び図５は、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの等価回路と結合調整回路４を示している。第１の送電共振器２ｘの等価回路は、インダクタンス成分２１ｘとキャパシタンス成分２２ｘと抵抗成分２３ｘが直列接続されたものであり、第２送電共振器２ｙの等価回路は、インダクタンス成分２１ｙとキャパシタンス成分２２ｙと抵抗成分２３ｙが直列接続されたものである。第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの電磁界結合は、磁界による結合と電界による結合からなる。磁界による結合と電界による結合は互いに結合値が逆符号になるため、その差が実際の第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの電磁界結合の量になる。磁界による結合が電界による結合よりも大きいと、磁界による結合が支配的であり、電界による結合が磁界による結合よりも大きいと、電界による結合が支配的である。第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの相互の配置関係により、磁界による結合が支配的な場合と電界による結合が支配的な場合とが起こり得る。

磁界による結合が支配的な場合、すなわち磁界による結合が電界による結合より大きくなっている場合は、図４のように、等価回路では、第１の送電共振器２ｘのインダクタンス成分２１ｘと第２の送電共振器２ｙのインダクタンス成分２１ｙの間に相互インダクタンスＭが生じている。この場合、結合調整回路４をキャパシタンスとすることで、電磁界結合により生じるインダクタンス、すなわち相互インダクタンスＭと並列共振させることで、電磁界結合の一部もしくは全部をキャンセルすることができる。結合調整回路４は、回路定数を可変とするようにしてもよい。

逆に、電界による結合が支配的な場合、すなわち電界による結合が磁界による結合より大きくなっている場合は、図５のように、等価回路では、第１の送電共振器２ｘと第２の送電共振器２ｙの間にキャパシタンス成分２４が有ることになる。この場合、結合調整回路４をインダクタとすることで、電磁界結合により生じるキャパシタンス、すなわちキャパシタンス成分２４と並列共振させることで、電磁界結合の一部もしくは全部をキャンセルすることができる。結合調整回路４は、回路定数を可変とするようにしてもよい。

受電装置５は、図６に示すように、受電共振器６と負荷回路７を具備するようにできる。

受電共振器６は、その共振周波数を第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの共振周波数に一致させている。受電共振器６は、その形状が限定されるものではないが、例えば、巻き線６０が平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるスパイラルコイルとすることが可能である。なお、図６においては、巻き線６０の一端（内端）と他端（外端）は、配線により接続されているが、一端と他端をオープン状態にしたりコンデンサを介して配線により接続したりしてもよい。

負荷回路７は、受電共振器６に結合している。負荷回路７は、詳細には、結合ループ７１と、負荷７２と、を有して構成されている。結合ループ７１は、受電共振器６に電磁界結合しており、インピーダンスの整合を行う。負荷７２には、結合ループ７１を介して、受電共振器６から電力が供給される。負荷７２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。なお、結合ループ７１は、他の公知のインピーダンス整合手段で置き換えることも可能である。

このような構成の無線電力伝送装置１は、送電制御器３によって第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙを励振し、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙがそれぞれ周囲の一定の範囲（電力伝送範囲）に独立して非放射電磁界を発生させる。この非放射電磁界は、第１の送電共振器２ｘによる非放射電磁界と第２の送電共振器２ｙによる非放射電磁界が合成されたものとなる。受電装置５が電力伝送範囲内に有るとき、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙから受電装置５への送電が互いに独立でアイソレーションが取れて、第１の送電共振器２ｘからの送電が第２の送電共振器２ｙを介して受電装置５に伝わることがなく、第２の送電共振器２ｙからの送電が第１の送電共振器２ｘを介して受電装置５に伝わることがないようになる。

この実施形態では、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙは互いに略直交するように配置され、そして、９０°の位相差を付けて励振されているので、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの合成された磁界及び電界は、時間とともに回転する。例えば、磁界は、図７に示すようにして、回転する。図中の磁界のベクトルを示す点の位置は、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの中心線の交点付近である。図中において、第１の励振信号Ｖｘの位相が０°のとき（第２の励振信号Ｖｙの位相が−９０°のとき）をベクトルＡ、第１の励振信号Ｖｘの位相が４５°のとき（第２の励振信号Ｖｙの位相が−４５°のとき）をベクトルＢ、第１の励振信号Ｖｘの位相が９０°のとき（第２の励振信号Ｖｙの位相が０°のとき）をベクトルＣ、第１の励振信号Ｖｘの位相が１３５°のとき（第２の励振信号Ｖｙの位相が４５°のとき）をベクトルＤ、第１の励振信号Ｖｘの位相が１８０°のとき（第２の励振信号Ｖｙの位相が９０°のとき）をベクトルＥ、第１の励振信号Ｖｘの位相が２２５°のとき（第２の励振信号Ｖｙの位相が１３５°のとき）をベクトルＦ、第１の励振信号Ｖｘの位相が２７０°のとき（第２の励振信号Ｖｙの位相が１８０°のとき）をベクトルＧ、第１の励振信号Ｖｘの位相が３１５°のとき（第２の励振信号Ｖｙの位相が２２５°のとき）をベクトルＨ、でそれぞれ示している。このようにして、磁界は、送電制御器３の第１及び第２の励振信号Ｖｘ、Ｖｙに応じて回転する。また、電界についても、同様に、送電制御器３の第１及び第２の励振信号Ｖｘ、Ｖｙに応じて回転する。

このようにして磁界又は電界のベクトルが精度良く回転するようにできると、図８に示すように、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの周囲の電力伝送範囲内に受電装置５、すなわち受電共振器６が配置されると、受電装置５の向きに係わらず安定した伝送効率で受電装置５に電力が伝わる。

図９は、受電共振器６の向きの回転角度θに対しての伝送効率の変化の様子を示す実験結果である。曲線ａは、無線電力伝送装置１を用いて、第１の送電共振器２ｘと受電共振器６の間の距離ｄ及び第２の送電共振器２ｙと受電共振器６の間の距離ｄ’を２５ｃｍ、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの直径を５０ｃｍ、受電共振器６の直径を５ｃｍとした場合の実測値である。一方、曲線ｂは、上述した条件において、第２の送電共振器２ｙを省略したときの実測値である。曲線ａより、無線電力伝送装置１を用いると、受電共振器６の向きの回転角度θを変化させても、伝送効率の変化が非常に少ないことが分かる。すなわち、受電装置５の向きに係わらず安定した伝送効率で受電装置５に電力が伝わることが分かる。

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。例えば、本発明の無線電力伝送装置は、合成された電磁界（磁界又は電界）が回転するものに限らず、受電装置の位置における電磁界を精度良く制御する様々な場合に適用可能である。この場合、第１の送電共振器２ｘと第２の送電共振器２ｙは、略直交に限らず様々な角度で配置され得るし、励振の位相差は９０°に限られず、更には位相差を付けなくてもよい場合も有り得る。

また、受電装置５は、１個に限らず複数個有ってもよい。また、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙ以外にも送電共振器を設けることも可能である。例えば、図１０は、第１及び第２の送電共振器２ｘ、２ｙの各々に略直交する第３の送電共振器２ｚを設けた例である。第３の送電共振器２ｚは、第３の高周波電源３１ｚの出力信号により、結合ループ３２ｚを介して励振される。結合調整回路４’は、第１及び第３の送電共振器２ｘ、２ｚの間に設けられ、結合調整回路４’’は、第２及び第３の送電共振器２ｙ、２ｚの間に設けられる。

１ 無線電力伝送装置
２ｘ、２ｙ 送電共振器
３ 送電制御器
３１、３１ｘ、３１ｙ 高周波電源
３２ｘ、３２ｙ 結合ループ
３３ 位相器
４ 結合調整回路
５ 受電装置
６ 受電共振器
７ 負荷回路
７１ 結合ループ
７２ 負荷

Claims (5)

1. 相互に空間的に電磁界結合している第１及び第２の送電共振器と、
   少なくとも1個の高周波電源を有し、前記第１及び第２の送電共振器の励振を制御する送電制御器と、
   前記第１及び第２の送電共振器の間に設けられ、それらの前記電磁界結合の一部もしくは全部をキャンセルする結合調整回路と、
   を具備し、
   前記第１の送電共振器と前記第２の送電共振器の前記電磁界結合は、磁界による結合が電界による結合より大きくなっており、前記結合調整回路は、コンデンサを含み、該コンデンサによって前記電磁界結合の磁界による結合の一部もしくは全部をキャンセルする、又は
   前記第１の送電共振器と前記第２の送電共振器の前記電磁界結合は、電界による結合が磁界による結合より大きくなっており、前記結合調整回路は、インダクタを含み、該インダクタによって前記電磁界結合の電界による結合の一部もしくは全部をキャンセルする、ことを特徴とする無線電力伝送装置。
2. 請求項１に記載の無線電力伝送装置において、
   前記結合調整回路は、前記第１の送電共振器の巻き線と前記第２の送電共振器の巻き線とに直接接続するように設けられていることを特徴とする無線電力伝送装置。
3. 請求項１又は２に記載の無線電力伝送装置において、
   前記結合調整回路は、回路定数を可変とする構成としたことを特徴とする無線電力伝送装置。
4. 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、
   前記送電制御器は、第１及び第２の高周波電源を有し、これらの出力信号により前記第１及び第２の送電共振器の各々を励振することを特徴とする無線電力伝送装置。
5. 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、
   前記送電制御器は、高周波電源とその出力信号を入力する位相器を有し、該高周波電源の前記出力信号により前記第１及び第２の送電共振器のうち一方を、前記位相器の出力信号により前記第１及び第２の送電共振器のうち他方を励振することを特徴とする無線電力伝送装置。

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