JP2010063324A - Induced power transmission circuit - Google Patents
Induced power transmission circuit Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010063324A JP2010063324A JP2008229171A JP2008229171A JP2010063324A JP 2010063324 A JP2010063324 A JP 2010063324A JP 2008229171 A JP2008229171 A JP 2008229171A JP 2008229171 A JP2008229171 A JP 2008229171A JP 2010063324 A JP2010063324 A JP 2010063324A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- antenna
- circuit
- inductive
- power
- power transmission
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Near-Field Transmission Systems (AREA)
Abstract
Description
本発明は、電力を無線誘導手段を介して空間を越えて給電する誘導電力伝送回路に関する。 The present invention relates to an inductive power transmission circuit that feeds electric power across a space via wireless induction means.
従来、特許文献1で、電動車などへの応用を見込んで、電源装置の一次巻線から被給電装置の二次巻線に非接触で電力を供給する誘導電力伝送回路が提案されていた。この誘導電力伝送回路では、電気端子を接触させないので、電気端子の接点の接触不良が発生しない利点がある。ここで、誘導電力伝送回路の電源装置の一次巻線に電流を流して電磁界を発生させ、その電磁界が被給電装置の二次巻線に電磁誘導させて電力を伝達するが、特に、二次巻線の両端にコンデンサを接続して二次巻線のインダクタンスとコンデンサの容量とによる共振回路を形成し、その共振回路の共振を利用して二次巻線が電力を受け取る電力を大きくしていた。そして、その共振回路に並列に被給電装置を接続し、被給電装置に電力を供給する効率を向上させていた。また、この種の誘導電力伝送回路の応用製品として、歯ブラシや携帯電話などに非接触で電力を伝送するシステムが実用化されている。特許文献1では、一次巻線と被給電装置の二次巻線との距離は変えずに一定に保って電力を伝送し、歯ブラシや携帯電話では被給電装置をホルダーに設置して所定の一定位置に保持して電力を伝送していた。しかし、特許文献1の構成では、一次巻線と二次巻線の間隔が大きくなり一次巻線と二次巻線の相互インダクタンスMが密結合な相互誘導回路の相互インダクタンスより小さくなると電力の伝送効率が悪くなり、伝送できる電力の大きさが小さくなってしまう問題があった。
Conventionally,
特許文献2では、被給電装置であるICカードの二次巻線の位置を、リーダーライタの電源装置の一次巻線から空間を隔てた遠隔位置に置き、その一次巻線と二次巻線の間隔を一定位置に保持せずに、リーダーライタの電源装置からICカードの被給電装置(遠隔装置)に電力を供給する技術が開示されていた。その被給電装置の二次巻線の両端にコンデンサを接続し、二次巻線のインダクタンスとコンデンサとで共振回路を構成して受信する電力を大きくしていた。そして、一次巻線と二次巻線の間の距離が変わると電源装置から遠隔装置に供給される電力が変動する問題を解決するために、電源装置を電源回路と整合回路と一次巻線で構成して電力を伝送した。また、ICカードの遠隔装置には、電力を受信する二次巻線と容量による共振回路を構成し、その共振回路に並列に可変インピーダンス回路を接続し、その先に整流回路から成る誘起電圧発生部を接続し、その先にICチップの負荷回路を接続した。そして、負荷回路に加わる電圧を検出してその電圧を安定させるべく可変インピーダンス回路を調整した。この構成により、負荷回路へ供給する電力を安定させた。しかし、電源回路から供給される電力のうち、負荷回路に供給される電力以外の電力は無駄に消費され、電源回路から負荷回路までの電力の伝送効率が良くない問題があった。
In
特許文献3では、特許文献2と同様にICカードにおいて、検出手段で電力伝送効率を検出して、2つのコンデンサの容量を変化させるか、コンデンサとインダクタンスのパラメータを変化させるインピーダンス可変手段によるか、あるいは、同様な2つの回路素子のパラメータを変化させるインピーダンス可変手段により調整してリーダーライタからICカードまでの電力の伝送効率を良くした。
In
特許文献4では、特許文献2及び3と同様に、電源装置から物理的に大きな空間を隔てて配置された遠隔装置へ電力を伝送し、遠隔装置から、そのエネルギー受信状況を、電源装置側に通知し、その情報により電源装置が電力の供給を調整していた。すなわち、電源装置のコンデンサとインダクタンスとの2つの回路素子のパラメータを、パラメータ可変手段により変えることで、電源装置から遠隔装置に高い電力伝送効率で電力を供給していた。
In
以下に公知文献を記す。
特許文献2から4では、一次巻線と二次巻線の間隔が変化する場合に対応して電力を伝送し、遠隔装置の二次巻線(あるいはスパイラルアンテナ)の両端にコンデンサを接続して二次巻線(スパイラルアンテナ)のインダクタンスとコンデンサから成る共振回路を共振させることで、一次巻線から二次巻線への電力の伝送効率を高くしていた。それらは、二次巻線の両端にコンデンサを接続した共振回路に並列に負荷回路を接続して電力を受信していた。そのうち、特許文献3では、リーダーライタからICカードまで、一定の電力を効率良く伝送するために、2つの回路素子のパラメータを変えて共振回路のインピーダンスを調整することで効率良く電力を伝送できる技術が開示されていた。しかし、特許文献3では、リーダーライタからICカードまでの距離を変えた場合に電力の伝送の良い効率を維持するには、どのように2つの回路素子パラメータを調整したらよいかが開示されておらず、試行錯誤して調整する必要があった。特許文献4も同様に、電源装置のコンデンサとインダクタンスとの2つの回路素子のパラメータを試行錯誤して調整する必要があった。
In
そのため、本発明の第1の目的は、電源装置の電源回路からの電力を、前記電源回路に接続した送信アンテナから受信アンテナまでの空間を伝送し、前記受信アンテナに接続した負荷回路で電力を消費する誘導電力伝送回路において、回路素子のパラメータを試行錯誤せずに調整でき、電力を高い伝送効率で伝送できる誘導電力伝送回路を得ることにある。 Therefore, a first object of the present invention is to transmit power from a power supply circuit of a power supply device through a space from a transmission antenna to a reception antenna connected to the power supply circuit, and to supply power by a load circuit connected to the reception antenna. In the inductive power transmission circuit to be consumed, an object is to obtain an inductive power transmission circuit capable of adjusting the parameters of circuit elements without trial and error and transmitting power with high transmission efficiency.
また、特許文献3と特許文献4では、一次巻線と二次巻線の間隔の変動に対応して電力の伝送効率を高い効率に維持しようとすると、同時に2つの回路素子のパラメータを適切な値に調整することでインピーダンスを整合しなければならず、前記2つの回路素子のパラメータが共に適切な値に設定しないとインピーダンスが整合せず、調整が難しい問題があった。そのため、本発明の第2の目的は、1つの回路素子のパラメータの調整のみで電源回路から負荷回路まで空間を隔てて電力を効率良く伝送できる誘導電力伝送回路を得ることにある。
Further, in
この課題を解決するために鋭意研究の結果、電源回路及び負荷回路のインピーダンスをアンテナに合わせたある特定の抵抗値(誘導抵抗)まで下げることで効率良く電力を伝送できることを見出した。その誘導抵抗は、アンテナに誘導される電圧をそのアンテナ電流で割り算した値であり、それぞれのアンテナの誘導抵抗に、それぞれのアンテナに接続する電源回路及び負荷回路のインピーダンスを整合させれば良い効率で電力を伝送できることを見出し、本発明に至った。 As a result of earnest research to solve this problem, it was found that power can be efficiently transmitted by lowering the impedance of the power supply circuit and the load circuit to a specific resistance value (inductive resistance) matched to the antenna. The inductive resistance is a value obtained by dividing the voltage induced in the antenna by the antenna current, and it is sufficient that the impedance of each power supply circuit and load circuit connected to each antenna is matched to the inductive resistance of each antenna. It was found that power can be transmitted with this method, and the present invention has been achieved.
すなわち、本発明は、電力を電源回路に接続した送信アンテナから角周波数ωの交流電力を空間を隔てた受信アンテナに伝送し負荷回路に伝送する誘導電力伝送回路であって、両端を容量C1でつないだ、実効的自己インダクタンスがL1の送信アンテナに電源回路を直列に接続した回路と、両端を容量C2でつないだ、実効的自己インダクタンスがL2の受信アンテナに負荷回路を直列に接続した回路を有し、前記送信アンテナと前記受信アンテナの間の距離を、電力を伝送する電磁界の波長の2π分の1以下の距離にして前記送信アンテナと前記受信アンテナの電磁誘導の結合係数をkにし、0ラジアン以上πラジアン以下の値の位相角βに関して、前記角周波数ωを、L2×C2×(1+k・cos(β))の値の逆数の平方根にして、前記電源回路の出力インピーダンスを約kωL1・sin(β)≡r1にし、前記負荷回路の入力インピーダンスを約kωL2・sin(β)≡r2にして前記電源回路から前記負荷回路に効率良く電力を伝送することを特徴とする誘導電力伝送回路である。 That is, the present invention is an inductive power transmission circuit that transmits AC power of angular frequency ω from a transmitting antenna connected to a power supply circuit to a receiving antenna separated by a space and transmits it to a load circuit, with both ends having a capacitance C1. A circuit in which a power supply circuit is connected in series to a transmitting antenna having an effective self-inductance L1, and a circuit in which a load circuit is connected in series to a receiving antenna having an effective self-inductance L2 in which both ends are connected by a capacitor C2. And the distance between the transmitting antenna and the receiving antenna is set to a distance equal to or less than 1 / 2π of the wavelength of the electromagnetic field transmitting power, and the coupling coefficient of electromagnetic induction between the transmitting antenna and the receiving antenna is set to k. , With respect to the phase angle β having a value not less than 0 radians and not more than π radians, the angular frequency ω is defined as the square root of the reciprocal of the value of L2 × C2 × (1 + k · cos (β)). The output impedance of the power supply circuit is set to about kωL1 · sin (β) ≡r1 and the input impedance of the load circuit is set to about kωL2 · sin (β) ≡r2 to efficiently transmit power from the power supply circuit to the load circuit. An inductive power transmission circuit characterized by the above.
また、本発明は、上記の誘導電力伝送回路において、前記電源回路と前記送信アンテナの回路を、前記送信アンテナに第1の誘導結合配線が相互インダクタンスM1で誘導結合し、前記第1の誘導結合配線の両端に元の電源回路を接続した回路に代え、前記元の電源回路の出力インピーダンスを約(2πf×M1)2/r1にしたことを特徴とする誘導電力伝送回路である。 Further, according to the present invention, in the inductive power transmission circuit, the power supply circuit and the transmission antenna circuit are inductively coupled to the transmission antenna by a first inductive coupling wiring with a mutual inductance M1. Instead of a circuit in which the original power supply circuit is connected to both ends of the wiring, the output power impedance of the original power supply circuit is about (2πf × M1) 2 / r1.
また、本発明は、上記の誘導電力伝送回路において、前記負荷回路と前記受信アンテナの回路を、前記受信アンテナに第2の誘導結合配線が相互インダクタンスM2で誘導結合し、前記第2の誘導結合配線の両端に元の負荷回路を接続した回路に代え、前記元の負荷回路の入力インピーダンスを約(2πf×M2)2/r2にしたことを特徴とする誘導電力伝送回路である。 Further, according to the present invention, in the inductive power transmission circuit, the load circuit and the receiving antenna circuit are inductively coupled to the receiving antenna by a second inductive coupling wiring with a mutual inductance M2, and the second inductive coupling is provided. Instead of a circuit in which the original load circuit is connected to both ends of the wiring, the inductive power transmission circuit is characterized in that the input impedance of the original load circuit is about (2πf × M2) 2 / r2.
また、本発明は、上記の誘導電力伝送回路において、前記第1の誘導結合配線を前記送信アンテナが共用し、前記元の電源回路の出力インピーダンスを約(2πf×L1)2/r1にしたことを特徴とする誘導電力伝送回路である。 In the inductive power transmission circuit according to the present invention, the first inductive coupling wiring is shared by the transmitting antenna, and the output impedance of the original power supply circuit is about (2πf × L1) 2 / r1. An inductive power transmission circuit characterized by the above.
また、本発明は、上記の誘導電力伝送回路において、前記第2の誘導結合配線を前記受信アンテナが共用し、前記元の負荷回路の入力インピーダンスを約(2πf×L2)2/r2にしたことを特徴とする誘導電力伝送回路である。 Further, according to the present invention, in the inductive power transmission circuit, the second inductive coupling wiring is shared by the receiving antenna, and the input impedance of the original load circuit is about (2πf × L2) 2 / r2. An inductive power transmission circuit characterized by the above.
また、本発明は、上記の誘導電力伝送回路において、前記電源回路と前記送信アンテナと前記容量C1の回路を、空間から電磁波を受け取るアンテナに代えたことを特徴とする誘導電力伝送回路である。 The present invention is the inductive power transmission circuit according to the above-described inductive power transmission circuit, wherein the power supply circuit, the transmission antenna, and the capacitor C1 are replaced with antennas that receive electromagnetic waves from space.
また、本発明は、上記の誘導電力伝送回路において、前記負荷回路と前記受信アンテナと前記容量C2の回路を、空間に電磁波を放射するアンテナに代えたことを特徴とする誘導電力伝送回路である。 The present invention is the inductive power transmission circuit according to the above-described inductive power transmission circuit, wherein the load circuit, the receiving antenna, and the capacitor C2 are replaced with an antenna that radiates electromagnetic waves in space. .
また、本発明は、電源回路に接続した送信アンテナから角周波数ωの交流電力を空間を隔てた受信アンテナに伝送し負荷回路に伝送する誘導電力伝送回路であって、両端を容量C1でつないだ、実効的自己インダクタンスがL1の送信アンテナに電源回路を直列に接続した回路と、両端を容量C2でつないだ、実効的自己インダクタンスがL2の受信アンテナに負荷回路を直列に接続した回路を有し、前記送信アンテナと前記受信アンテナの間の距離を、電力を伝送する電磁界の波長の2π分の1以下にして相互インダクタンスをMにし、前記角周波数ωの値をL2×C2の逆数の平方根の値にし、前記電源回路の出力インピーダンスZ1を、前記負荷回路側での誘導インピーダンス値(ωM)2/Z1に変換し、前記誘導インピーダンス値に前記負荷回路の入力入力インピーダンスを等しくして電力を伝送することを特徴とする誘導電力伝送回路である。 The present invention is also an inductive power transmission circuit that transmits AC power of angular frequency ω from a transmitting antenna connected to a power supply circuit to a receiving antenna spaced apart and transmits it to a load circuit, with both ends connected by a capacitor C1. A circuit in which a power supply circuit is connected in series to a transmission antenna having an effective self-inductance of L1, and a circuit in which a load circuit is connected in series to a receiving antenna having an effective self-inductance of L2 connected by a capacitor C2. The distance between the transmitting antenna and the receiving antenna is set to be equal to or less than 1 / 2π of the wavelength of the electromagnetic field transmitting power, the mutual inductance is set to M, and the value of the angular frequency ω is the square root of the reciprocal of L2 × C2. the value, the output impedance Z1 of the power supply circuit, and converts the inductive impedance values (ωM) 2 / Z1 in the load circuit side, the inductive impedance value And equal input input impedance of the serial load circuit is an inductive electric power transfer circuit, characterized in that transmitting power.
また、本発明は、上記の誘導電力伝送回路において、前記電源回路と前記送信アンテナの回路を、前記送信アンテナに第1の誘導結合配線が相互インダクタンスM1で誘導結合し、前記第1の誘導結合配線の両端に元の電源回路を接続した回路に代え、前記元の電源回路の出力インピーダンスZ3を、前記負荷回路側での誘導抵抗値(M/M1)2×Z3に変換することを特徴とする誘導電力伝送回路である。 Further, according to the present invention, in the inductive power transmission circuit, the power supply circuit and the transmission antenna circuit are inductively coupled to the transmission antenna by a first inductive coupling wiring with a mutual inductance M1. Instead of a circuit in which the original power supply circuit is connected to both ends of the wiring, the output impedance Z3 of the original power supply circuit is converted into an inductive resistance value (M / M1) 2 × Z3 on the load circuit side. Inductive power transmission circuit.
また、本発明は、上記の誘導電力伝送回路において、前記負荷回路と前記受信アンテナの回路を、前記受信アンテナに第2の誘導結合配線が相互インダクタンスM2で誘導結合し、前記第2の誘導結合配線の両端に元の負荷回路を接続した回路に代え、前記電源回路の出力インピーダンスZ1を、前記元の負荷回路側での誘導抵抗値(M2/M)2×Z1に変換することを特徴とする誘導電力伝送回路である。 Further, according to the present invention, in the inductive power transmission circuit, the load circuit and the receiving antenna circuit are inductively coupled to the receiving antenna by a second inductive coupling wiring with a mutual inductance M2, and the second inductive coupling is provided. Instead of a circuit in which the original load circuit is connected to both ends of the wiring, the output impedance Z1 of the power supply circuit is converted into an inductive resistance value (M2 / M) 2 × Z1 on the original load circuit side. Inductive power transmission circuit.
また、本発明は、上記の誘導電力伝送回路において、前記第1の誘導結合配線を前記送信アンテナが共用し、前記元の電源回路の出力インピーダンスZ3を、前記負荷回路側での誘導抵抗値(M/L1)2×Z3に変換することを特徴とする誘導電力伝送回路である。 Further, according to the present invention, in the above-described inductive power transmission circuit, the first inductive coupling wiring is shared by the transmission antenna, and the output impedance Z3 of the original power supply circuit is converted to an inductive resistance value ( M / L1) An inductive power transmission circuit characterized by converting to 2 × Z3.
また、本発明は、上記の誘導電力伝送回路において、前記第2の誘導結合配線を前記受信アンテナが共用し、前記電源回路の出力インピーダンスZ1を、前記元の負荷回路側での誘導抵抗値(L2/M)2×Z1に変換することを特徴とする誘導電力伝送回路である。 Further, according to the present invention, in the above-described inductive power transmission circuit, the second inductive coupling wiring is shared by the receiving antenna, and the output impedance Z1 of the power circuit is changed to an inductive resistance value ( L2 / M) 2 × Z1 is an inductive power transmission circuit characterized by conversion.
本発明は、電源回路に接続した送信アンテナから角周波数ωの交流電力を空間を隔てた受信アンテナに伝送し負荷回路に伝送する誘導電力伝送回路であり、電源回路及び負荷回路のインピーダンスをアンテナに合わせたある特定の抵抗値(誘導抵抗)まで下げることで効率良く電力を伝送できる効果がある。その誘導抵抗は本発明により容易に計算でき、電源回路から負荷回路まで電力を完全な効率で伝送できる誘導電力伝送回路が得られる効果がある。また、本発明は、空芯コイルの構成で誘導電力伝送回路のインピーダンスを容易に変換できるインピーダンス変換回路が得られる効果がある。 The present invention is an inductive power transmission circuit that transmits AC power of an angular frequency ω from a transmitting antenna connected to a power circuit to a receiving antenna that is separated from the space, and transmits the power to the load circuit. The impedance of the power circuit and the load circuit is used as the antenna. There is an effect that electric power can be efficiently transmitted by lowering to a certain specific resistance value (inductive resistance). The inductive resistance can be easily calculated by the present invention, and there is an effect that an inductive power transmission circuit capable of transmitting power from the power supply circuit to the load circuit with complete efficiency can be obtained. In addition, the present invention has an effect of obtaining an impedance conversion circuit that can easily convert the impedance of the induction power transmission circuit with an air-core coil configuration.
<本発明の原理>
図1(a)に、本発明の誘導電力伝送回路の送信アンテナ1と受信アンテナ2の平面図(XY図)を示し、図1(b)に側面図を示す。すなわち、本発明の誘導電力伝送回路は、実効的自己インダクタンスL1のコイル状の送信アンテナ1のリボン状の銅の配線の両端を容量C1でつないだ共振回路を作り、その共振回路のアンテナの配線の中間に直列に電源回路3を接続する。同様に、実効的自己インダクタンスL2のコイル状の受信アンテナ2のリボン状の銅の配線の両端を容量C2でつないだ共振回路を作り、その共振回路のアンテナの配線の中間に直列に負荷回路4を接続する。図1のように、互いに電磁誘導する両アンテナを(アンテナが共振する電磁界の波長)/(2π)以下の距離の近傍に近づける。この距離以下の近傍に近づけることで、両アンテナは、電波を放射しない電磁誘導の相互作用が優勢になる。また、その送信アンテナ1の配線と受信アンテナ2の配線を少し離すと、両アンテナの配線の相互インダクタンスMは、密結合な相互誘導回路の相互インダクタンス√(L1×L2)の6割以下になる。
<Principle of the present invention>
FIG. 1 (a) shows a plan view (XY diagram) of the transmitting
図1では、送信アンテナ1のコイル状の配線が乗るアンテナの面(XY面)と受信アンテナ2のアンテナの面を平行にし、送信アンテナ1と受信アンテナ2のコイル状のアンテナの配線の中心軸を一致させて、アンテナ同士をその中心軸の方向に近づけて設置したが、両アンテナの配置は、(アンテナが共振する電磁界の波長)/(2π)以下の距離の近傍に設置するだけで良く、後の図20(a)に示すように両アンテナを同一平面上に並べて配置しても良い。また、アンテナの形状は、アンテナの配線の両端を容量でつなぐだけで良く、アンテナの配線の巻数は1巻でも多数巻きのコイル状又は螺旋状でも良い。アンテナ配線の両端を結ぶ容量C1あるいはC2は、コンデンサを接続しないでも、アンテナ配線の両端を開放して両端間に発生する寄生容量でアンテナ配線の両端をつなぐだけの構成でも良い。アンテナの形状及び寸法は送信アンテナ1と受信アンテナ2で異なっていても良い。更に、送信アンテナ1と受信アンテナ2は、図1のようなコイル状に形成しないで、例えば、ダイポールアンテナでも、共鳴させることで電力を完全な効率(後に説明する式29で与えられる電力伝送効率Peで電力を伝送できることを完全な効率と呼ぶ)で伝送できると考える。
In FIG. 1, the antenna surface (XY plane) on which the coiled wiring of the transmitting
本発明の誘導電力伝送回路は、図2(a)の回路図でモデル化でき、その回路は、実効的自己インダクタンスL1の送信アンテナ1と実効的自己インダクタンスL2の受信アンテナ2が、相互インダクタンスMを介して、送信アンテナ1に接続した電源回路3から受信アンテナ2に接続した負荷回路4まで非接触で電力を供給する誘導電力伝送回路である。ここで、送信アンテナ1の両端をつなぐ容量C1は、電源回路3から角周波数ωの電流を送信アンテナ1に供給するタンク回路における容量で構成しても良い。また、送信アンテナ1に直列に接続する電源回路3の端子(ポート1)は、送信アンテナ1の配線の中間に設置しても良いし、寄生容量に比べて大きな容量C1をアンテナ配線の両端に接続した送信アンテナ1のその容量C1の一方の接続点と送信アンテナ1のアンテナ配線との接続部分に設置しても良い。受信アンテナ2に直列に接続する負荷回路4の端子(ポート2)の位置も、受信アンテナ2の配線の中間に設置しても良いし、寄生容量に比べて大きな容量C2をアンテナ配線の両端に接続した受信アンテナ2のその容量C2の一方の接続点と受信アンテナ2のアンテナ配線との接続部分に設置しても良い。
The inductive power transmission circuit of the present invention can be modeled by the circuit diagram of FIG. 2A, and the circuit includes a
鋭意研究の結果、以上で説明した回路構成で誘導電力伝送回路を構成すると、送信アンテナ1と容量C1により共振回路を構成した送信回路と、受信アンテナ2と容量C2により共振回路を構成した受信回路を共鳴させることができ、以下の条件を満たせば、電源回路3から負荷回路4まで電力を完全な効率で伝送することができることを見出し、本発明に至った。電力を効率良く伝送する条件を以下で説明する。図2(a)の電源回路3を送信アンテナ回路1に接続するポート1の電圧Einは以下の式1であらわせる。
Ein=j{ωL1−(1/(ωC1))}×I1+jωM×I2 (式1)
ここで、I1は送信アンテナ1に流れるアンテナ電流、I2は受信アンテナ2に流れるアンテナ電流であり、ω=2πfはその角周波数であり、fは高周波電流の周波数である。また、図2(a)の電源回路3側から見た、送信アンテナ回路1の入力インピーダンスZinに関しては、以下の式2が成り立つ。
Ein=Zin×I1 (式2)
式1の右辺の最後の項のjωM×I2は、受信アンテナ2に流れる高周波のアンテナ電流I2が送信アンテナ1の配線の近傍の電磁界を時間変化させ、それが送信アンテナ1に誘導する誘導電圧E1である。それを式3であらわす。
E1=jωM×I2 (式3)
式1と式2と式3から、アンテナ回路の入力インピーダンスZinが以下の式4であらわされる。
Zin=j{ωL1−(1/(ωC1))}+E1/I1 (式4)
As a result of earnest research, when an inductive power transmission circuit is configured with the circuit configuration described above, a transmission circuit in which a resonance circuit is configured by the
Ein = j {ωL1- (1 / (ωC1))} × I1 + jωM × I2 (Formula 1)
Here, I1 is the antenna current flowing through the transmitting
Ein = Zin × I1 (Formula 2)
JωM × I2 in the last term on the right side of
E1 = jωM × I2 (Formula 3)
From
Zin = j {ωL1- (1 / (ωC1))} + E1 / I1 (Formula 4)
この入力インピーダンスZinは、誘導電圧E1に起因する見かけのインピーダンス(E1/I1)と回路のインピーダンスの和になる。そして、その加わったインピーダンス(E1/I1)の実数成分により、Zinは実数成分を持つ。そのZinの実数成分を誘導抵抗r1として、以下の式5であらわす。
r1≡Real(E1/I1)=Real(jωM×I2/I1) (式5)
ここで、受信アンテナ2の電流I2と送信アンテナ1の電流I1の比を、実数のパラメータαと位相角βを用いて以下の式6であらわすと、誘導抵抗r1は式7であらわせる。
I2/I1≡α・exp(−jβ) (式6)
r1=α・ωM・sin(β) (式7)
ここで、電源回路3から最も効率良く送信アンテナ1に電力を供給する条件は、電源回路3のインピーダンスZ1が図2(a)の電源回路3から送信アンテナ1側を見た回路のインピーダンスZinと整合する(等しくなる)ことである。電源回路3の出力インピーダンスZ1が純抵抗の場合は、そのZ1が誘導抵抗r1に等しくなることが整合の条件であると考える。この誘導抵抗r1は、受信アンテナ2の電流I2が送信アンテナ1に誘導する電圧E1のうち送信アンテナ1の電流I1と同位相の成分を送信アンテナの電流I1で割り算した値である。
This input impedance Zin is the sum of the apparent impedance (E1 / I1) caused by the induced voltage E1 and the impedance of the circuit. And Zin has a real component by the real component of the added impedance (E1 / I1). The real number component of the Zin is expressed by the following
r1≡Real (E1 / I1) = Real (jωM × I2 / I1) (Formula 5)
Here, when the ratio of the current I2 of the receiving
I2 / I1≡α · exp (−jβ) (Formula 6)
r1 = α · ωM · sin (β) (Formula 7)
Here, the condition for supplying power from the
一方、受信アンテナ2にも送信アンテナ1のアンテナ電流I1で誘導される誘導電圧E2が発生する。その誘導電圧E2を式8であらわす。
E2=jωM×I1 (式8)
すると、受信アンテナ2を負荷回路4に接続するポート2の電圧Eoutは以下の式9と式10であらわされる。
Eout=E2+j{ωL2−(1/(ωC2))}×I2 (式9)
Eout=−Z2×I2 (式10)
この誘導電圧E2の出力インピーダンスの実数成分を誘導抵抗r2とすると、誘導抵抗r2は以下の式11であらわされる。
r2≡Real(E2/(−I2))=Real(−jωM×I1/I2)
=(1/α)・ωM・sin(β) (式11)
ここで、受信アンテナ2から最も効率良く負荷回路4に電力を供給する条件は、受信アンテナ2に加わった誘導電圧E2を電源と見なして、その電源の出力インピーダンスが負荷回路4の入力インピーダンスZ2と整合する(等しくなる)ことであると考える。そのため、負荷回路4の入力インピーダンスZ2が純抵抗の場合は、そのZ2が誘導抵抗r2に等しくなることが整合の条件であると考える。この誘導抵抗r2は、送信アンテナ1の電流I1が受信アンテナ2に誘導する電圧E2のうち受信アンテナ2の電流I2と同位相の成分を受信アンテナの電流I2で割り算した値である。
On the other hand, an induction voltage E2 induced by the antenna current I1 of the
E2 = jωM × I1 (Formula 8)
Then, the voltage Eout of the
Eout = E2 + j {ωL2- (1 / (ωC2))} × I2 (Equation 9)
Eout = −Z2 × I2 (Formula 10)
When the real component of the output impedance of the induction voltage E2 is an induction resistance r2, the induction resistance r2 is expressed by the following equation 11.
r2≡Real (E2 / (− I2)) = Real (−jωM × I1 / I2)
= (1 / α) · ωM · sin (β) (Formula 11)
Here, the most efficient condition for supplying power from the receiving
また、図2(b)のように、受信アンテナ2に直列に変成器の一次巻線を接続し、その変成器の二次巻線に負荷回路4を接続する受信回路を構成することもできる。この受信回路も、図2(a)の右側の回路であらわす、受信アンテナ2と容量C2に直列に直列負荷回路を接続した受信回路に等価な回路である。図2(b)の受信回路の場合は、その図2(a)の右側の等価受信回路と見なして調整すれば良い。この変成器を用いる一実施形態として、図21(a)のように、受信アンテナ2のコイル状(螺旋状)の配線自体をその変成器の一次巻線とし、その受信配線が乗るXY面に平行に近接して設置したコイル状又は螺旋状の誘導結合配線6を、受信アンテナ2の配線に誘導結合する変成器の二次巻線とする受信回路を構成することもできる。この場合、受信アンテナ2に誘導結合配線6が相互インダクタンスM2で誘導結合し、誘導結合配線6の両端をポート3として負荷回路4に接続する回路構成にする。図21(a)の場合においては、誘導結合配線6の有する自己インダクタンスが誘導抵抗r2に比べて小さいことが影響し、ポート3の負荷回路4に接続するアンテナのインピーダンスが(2πf×M1)2/r2になる。
Further, as shown in FIG. 2B, a receiving circuit in which the primary winding of the transformer is connected in series to the receiving
また、この受信回路は、受信アンテナ2自身を誘導結合配線6にすることもできる。その場合は、誘導結合配線6の両端のポート3は受信アンテナ2のアンテナ配線の両端になり、そのポート3に、容量C2に並列に、負荷回路4を接続して図2(c)のように受信回路を構成することもできる。その場合は、その負荷回路4に接続するアンテナのインピーダンスが(ω・L2)2/r2になる。すなわち、図2(c)の回路は、図2(b)の回路の誘導結合配線6の相互インダクタンスM2を、受信アンテナ2の実効的自己インダクタンスL2に置き換えた回路になる。
In the receiving circuit, the receiving
また、図2(a)の回路の受信アンテナ2は、コイル状(螺旋状)のアンテナ配線にし、一方、送信アンテナ1とそれに接続する電源回路3は、図25(a)のように、空間から電磁波を受け取るダイポールアンテナにすることもできる。その場合は、そのダイポールアンテナが空間の電磁波から電力を受け取って回路に供給する電源になり、その電力を、ダイポールアンテナが兼用する送信アンテナ1が受信アンテナ2に伝達する。その電力が受信アンテナ2に誘導抵抗r2を発生させ、その誘導抵抗r2に負荷回路4の入力インピーダンスZ2を等しくして空間の電磁波から効率良く電力を受け取る誘導電力伝送回路を構成することができる。また、その逆に、送信アンテナ1は、コイル状(螺旋状)のアンテナ配線にし、一方、受信アンテナ2とそれに接続する負荷回路4は、空間に電磁波を放射するダイポールアンテナにし、空間へ電磁波を放射して電力を消費する負荷にすることもできる。その場合は、送信アンテナ1からダイポールアンテナで構成される受信アンテナ2に接続する負荷となる放射抵抗に受信アンテナ2の誘導抵抗r2を整合(等しくする)させることで、空間に効率良く電磁波を放射する誘導電力伝送回路を構成することもできる。
In addition, the receiving
以下では、このようにインピーダンスを整合させる場合に、共鳴をおこす角周波数ωがどうなるかを詳しく解析する。すなわち、電源回路3の出力インピーダンスZ1が誘導抵抗r1に等しい値に整合されて、負荷回路4の入力インピーダンスZ2が誘導抵抗r2に整合(等しく)される場合には、式1と式9等から、以下の式12と式13が成り立つ。
ωL1−(1/(ωC1))=−α・ωM・cos(β) (式12)
ωL2−(1/(ωC2))=−(1/α)・ωM・cos(β) (式13)
これらの式12と式13が成り立ちZ1=r1、Z2=r2の場合には、アンテナ1の電磁界とアンテナ2の電磁界が共鳴し、それにより、電源回路3から負荷回路4まで電力が完全な効率で伝送されると考える。
Hereinafter, in the case of matching the impedance in this way, a detailed analysis will be made of what happens to the angular frequency ω causing resonance. That is, when the output impedance Z1 of the
ωL1- (1 / (ωC1)) = − α · ωM · cos (β) (Formula 12)
ωL2- (1 / (ωC2)) = − (1 / α) · ωM · cos (β) (Formula 13)
When these
ここで、cos(β)が0で無い場合には、式7、式11、式12、式13から以下の式が得られる。
r1・r2=(ωM)2−g1×g2 (式14)
g1≡ωL1−(1/(ωC1)) (式15)
g2≡ωL2−(1/(ωC2)) (式16)
α2=g1/g2 (式17)
sin(β)2=Z1・Z2/(ωM)2 (式18)
MとL1とC1とL2とC2が定まっている場合は、式14により、ωに応じてr1・r2が求まり、そして式17からαが求まる。次に、式18から、βが求まる。次に、式7と式11によって、r1とr2が求まる。特に、式17から、g1×g2は正である。そして、ωMが小さい値の場合にも式14が成り立つには、ωがあるωoの場合にg1=g2=0になる必要がある。そのための条件は以下の式19である。
L1・C1=L2・C2≡(1/ωo)2 (式19)
Here, when cos (β) is not 0, the following expressions are obtained from
r1 · r2 = (ωM) 2 −g1 × g2 (Formula 14)
g1≡ωL1- (1 / (ωC1)) (Formula 15)
g2≡ωL2- (1 / (ωC2)) (Formula 16)
α 2 = g1 / g2 (Formula 17)
sin (β) 2 = Z1 · Z2 / (ωM) 2 (Formula 18)
When M, L1, C1, L2, and C2 are determined, r1 · r2 is obtained according to ω by
L1 · C1 = L2 · C2≡ (1 / ωo) 2 (Formula 19)
(第1の場合)
式19が成り立つ場合に、ω=ωoのとき、すなわち、式12及び式13でcos(β)が0でsin(β)が1になる場合に、g1=g2=0が成り立つ。この第1の場合については後で説明する。
(第2の場合)
式19が成り立つ場合に、ωがωo以外のときには、式6と式7と式11と式15から式17を使うと、以下の式20が成り立つ。これを第2の場合と呼ぶ。
|I2/I1|2=α2=L1/L2=C2/C1=r1/r2 (式20)
この式20から以下の式21が成り立つ。
L1×|I1|2=L2×|I2|2 (式21)
この式21は、送信アンテナ1に蓄積される電磁界のエネルギーと受信アンテナ2に蓄積される電磁界のエネルギーが等しく、両アンテナが互いにその電磁界エネルギーを交換して共鳴している状態をあらわしていると考える。
この式21を変形して、以下の式22を得る。
|I2|=|I1|×√(L1/L2) (式22)
すなわち、共鳴した送信アンテナ1の電流I1と受信アンテナ2の電流I2の比が、受信アンテナ2の配線の実効的自己インダクタンスL2と送信アンテナ1の配線の実効的自己インダクタンスL1の比の平方根である。電磁界シミュレーションの結果でも、共振して効率良く(100%近い効率で)エネルギーを伝送するアンテナ回路では式22の関係が成り立っていた。式22のように受信アンテナ2に多くの電流が流れるので、受信アンテナ2に流れる高周波のアンテナ電流I2が電磁界を時間変化させ、それにより送信アンテナ1に誘導電圧E1を発生させると考える。
(First case)
When Equation 19 holds, when ω = ωo, that is, when cos (β) is 0 and sin (β) is 1 in
(Second case)
When Equation 19 is satisfied and ω is other than ωo, using
| I2 / I1 | 2 = α 2 = L1 / L2 = C2 / C1 = r1 / r2 (Formula 20)
From this
L1 × | I1 | 2 = L2 × | I2 | 2 (Formula 21)
This equation 21 represents a state in which the electromagnetic field energy stored in the transmitting
This equation 21 is modified to obtain the following
| I2 | = | I1 | × √ (L1 / L2) (Formula 22)
That is, the ratio of the resonant current I1 of the transmitting
ここで、式19が成り立つ場合は、送信アンテナ1と受信アンテナ2の電磁誘導の結合係数k(式23であらわす)を用いて、式7と式11と式12と式13が、式24から式27に書き換えられる。
k≡M/√(L1×L2) (式23)
r1=kωL1・sin(β) (式24)
r2=kωL2・sin(β) (式25)
ωL1−1/(ωC1)=−kωL1・cos(β) (式26)
ωL2−1/(ωC2)=−kωL2・cos(β) (式27)
式26と式27から、以下の式28が得られる。
ω=ωo/√(1+k・cos(β)) (式28)
Here, when Expression 19 holds,
k≡M / √ (L1 × L2) (Equation 23)
r1 = kωL1 · sin (β) (Equation 24)
r2 = kωL2 · sin (β) (Equation 25)
ωL1-1 / (ωC1) = − kωL1 · cos (β) (Formula 26)
ωL2-1 / (ωC2) = − kωL2 · cos (β) (Expression 27)
From
ω = ωo / √ (1 + k · cos (β)) (Formula 28)
以上の関係は、以下のように言い換えることができる。すなわち、L1×C1=L2×C2=1/ωo2であるアンテナ系において、0からπラジアンまでの値の任意の位相角βに関して、電力を伝送する交流の角周波数ωを、L1×C1×(1+k・cos(β))の値の逆数の平方根にして、送信アンテナ1に直列に接続する電源回路3の出力インピーダンスZ1をr1=kωL1・sin(β)にし、受信アンテナに直列に接続する負荷回路4の入力インピーダンスZ2をr2=kωL2・sin(β)にすると、電力を完全な効率で伝送できる。そして、電源回路3から負荷回路4まで、電力を完全な効率で伝送できる誘導抵抗rの値に上限がある。空芯コイルの送信アンテナ1と受信アンテナ2を対向させ近づけると結合係数kが大きくなり電力を伝送できる誘導抵抗rの上限が大きくなる。誘導抵抗r1の上限がkωL1で、誘導抵抗r2の上限がkωL2であり、その上限以下の誘導抵抗r1に電源回路3の出力インピーダンスZ1を等しくし、誘導抵抗r2に負荷回路4の入力インピーダンスZ2を等しくすることで電力を完全な効率で伝送できる。電源回路3の出力インピーダンスZ1と負荷回路4の入力インピーダンスZ2を誘導抵抗rの上限より小さく設定する場合は、式24と式25でsin(β)が1より小さい値でそれらのインピーダンスが誘導抵抗に等しくなりインピーダンスが整合して電力が伝送できる。そして、その場合には、cos(β)が0では無く、式28により、ωoからずれた共振角周波数ωで送信アンテナ1と受信アンテナ2が共鳴する。
The above relationship can be paraphrased as follows. That is, in an antenna system in which L1 × C1 = L2 × C2 = 1 / ωo 2 , the angular frequency ω of the alternating current for transmitting power is expressed as L1 × C1 × for an arbitrary phase angle β having a value from 0 to π radians. Using the square root of the reciprocal of the value of (1 + k · cos (β)), the output impedance Z1 of the
この第2の場合の現象を利用して、送信アンテナ1と受信アンテナ2の位置が安定せず電磁誘導の結合係数kが変動する場合にも誘導抵抗r1とr2に整合(等しい)する電源回路3と負荷回路4のインピーダンスを一定に保つことができる誘導電力伝送回路を構成できる。それは、上限の値より小さな値の誘導抵抗r1に等しい値の固定した値の出力インピーダンスZ1を有する電源回路3と、その際の誘導抵抗r2に等しい値の固定した値の入力インピーダンスZ2を有する負荷回路4を用い、結合係数kの値の変化に応じて位相角βを変え共振角周波数ωを変えるように電源回路3を適応させて共鳴させる。そのように適応する電源回路3の構成は、送信アンテナ1の共振電流を正帰還回路により電源回路3に正帰還させて、その電流を増幅して出力する電源回路3を構成することで実現できる。これにより、電源回路3から共振角周波数ωに適応した周波数の電流I1を取り出すことができ、電磁誘導の結合係数kの変化に適応してアンテナ回路を共鳴させ、結合係数kの変化があっても完全な効率の電力伝送を維持させる誘導電力伝送回路が構成できる効果がある。
By utilizing the phenomenon of the second case, a power supply circuit that matches (equals) the induction resistances r1 and r2 even when the positions of the
ここで、アンテナ系の電力伝送効率Peは、r1=r2の場合は、以下の式29で計算できると考える。
Pe=r1/(r1+(ref1+ref2)) (式29)
ここで、ref1は送信アンテナ1の実効的抵抗、ref2は受信アンテナ2の実効的抵抗である。送信アンテナ1の実効的抵抗ref1と受信アンテナ2の実効的抵抗ref2が誘導抵抗r1より小さいほど電力の伝送効率が良く、アンテナ配線の実効的抵抗が誘導抵抗rに比べて無視できるほど小さい場合はほぼ100%の電力が伝送できると考える。また、送信アンテナ1と受信アンテナ2は、ダイポールアンテナ状にして共鳴させて電力を伝送することもできるが、図1のようなコイル状(渦巻き状)にアンテナ配線を巻くと、アンテナの実効的自己インダクタンスL1およびL2がダイポールアンテナ形の場合より大きくなるので、式24と式24により誘導抵抗r1およびr2が大きくなり、式29で示すアンテナ系の電力伝送効率Peが大きくなる効果がある。
Here, it is considered that the power transmission efficiency Pe of the antenna system can be calculated by the following equation 29 when r1 = r2.
Pe = r1 / (r1 + (ref1 + ref2)) (Formula 29)
Here, ref1 is an effective resistance of the transmitting
特に、ω≒ωoの場合は、式26と式27の左辺が0に近くなるので、その右辺も0に近くなるため、βがπ/2ラジアンに近くなり、cos(β)が0に近くなり、sin(β)が1に近くなり、以上の式24と式25は以下の式30と式31になる。
r1≒kωL1 (式30)
r2≒kωL2 (式31)
このように、ω≒ωoの場合に、図2(a)に示す電源回路3の出力インピーダンスZ1を式30の誘導抵抗r1に整合させ、負荷回路4の負荷インピーダンスZ2を式31の誘導抵抗r2に整合させると、電源回路3から負荷回路4まで、電力を完全な効率で伝送できる。
In particular, in the case of ω≈ωo, the left side of
r1≈kωL1 (Formula 30)
r2≈kωL2 (Formula 31)
As described above, when ω≈ωo, the output impedance Z1 of the
(第1の場合)
以下で、先に示した第1の場合について詳しく説明する。第1の場合は、式19が成り立つ場合に、sin(β)が1になる場合であって、g1=g2=0になる。この場合は、アンテナ電流I1とアンテナ電流I2の位相差をあらわす位相角βが90度(π/4ラジアン)の場合である。この場合は、角周波数ω=ωoで共振し、以下の式32から式35の状態でアンテナ系が共鳴する。
cos(β)=0 (式32)
r1=ωM・α (式33)
r2=ωM/α (式34)
I2/I1=−jα (式35)
以上の関係は、以下のように言い換えることができる。すなわち、L1×C1=L2×C2=1/ωo2であるアンテナ系において、電力を伝送する交流の角周波数ωをωoにし、任意の正の数αに関して、送信アンテナ1に直列に接続する電源回路3の出力インピーダンスZ1をr1=ωM・αにし、受信アンテナに直列に接続する負荷回路4の入力インピーダンスZ2をr2=ωM/αにすると、電力を完全な効率で伝送できる。つまり、この共鳴の場合は、式9で示すようにアンテナの共鳴の角周波数ω=2πfがωoに一致して共鳴するが、任意のアンテナ電流の比αで電力を伝送できる特徴がある。アンテナ電流の比αが任意であるという意味は、送信アンテナ1の電流I1を大きくして大きな電磁界を発生させれば、受信アンテナ2に流れる電流I2が小さくても良い効率で電力を伝送できることを意味する。逆に、受信アンテナ2に流れる電流I2が大きければ、送信アンテナ1の電流I1が小さくても良い効率で電力を伝送できることを意味する。なお、誘導抵抗r1とr2の積が(ωM)の二乗の一定値である。また、誘導抵抗r2に対するr1の比は、アンテナ電流の比αの二乗であって任意に変えることができる。
(First case)
Hereinafter, the first case described above will be described in detail. The first case is a case where sin (β) is 1 when Equation 19 holds, and g1 = g2 = 0. In this case, the phase angle β representing the phase difference between the antenna current I1 and the antenna current I2 is 90 degrees (π / 4 radians). In this case, the antenna system resonates at an angular frequency ω = ωo, and the antenna system resonates in the following equations 32 to 35.
cos (β) = 0 (Formula 32)
r1 = ωM · α (Formula 33)
r2 = ωM / α (Formula 34)
I2 / I1 = −jα (Formula 35)
The above relationship can be paraphrased as follows. That is, in an antenna system in which L1 × C1 = L2 × C2 = 1 / ωo 2 , an AC angular frequency ω for transmitting power is set to ωo, and an arbitrary positive number α is connected to the
この第1の場合の現象を利用して、空芯コイルによる送信アンテナ1の誘導抵抗r1と受信アンテナ2の誘導抵抗r2を変換するインピーダンス変換回路を構成する誘導電力伝送回路が得られる。すなわち、図2(a)の回路図で、電源回路3のインピーダンスr1を負荷回路4のインピーダンスr2=(ωM)2/r1に変換するインピーダンス変換回路を構成できる。また、このインピーダンス変換回路用の送信アンテナ1と受信アンテナ2の間隔を変えて結合係数kすなわち相互インダクタンスMを変えれば、送信アンテナのインピーダンスr1を元のまま変えないで受信アンテナ2のインピーダンスr2の値だけを変えることができるインピーダンス変換回路を構成できる。このインピーダンス変換回路は、1つのパラメータkを変えるだけで変換するインピーダンスr2の値を変えることができ、回路パラメータの調整が簡単であり容易にインピーダンスを調整できる効果がある。
By utilizing the phenomenon in the first case, an inductive power transmission circuit constituting an impedance conversion circuit for converting the induction resistance r1 of the
以下では、各実施形態毎に、電磁界シミュレーションで、電源回路3から負荷回路4まで電力を完全な効率で伝送する電源回路3の出力インピーダンスZ1と負荷回路4の入力インピーダンスZ2を求め、その値を誘導抵抗r1とr2として誘導抵抗を求める。その誘導抵抗r1はωMα・sin(β)であって、誘導抵抗r2はωM・sin(β)/αである。以下に示す電磁界シミュレーションでは、送信アンテナ1と受信アンテナ2を空芯コイル状(螺旋状)に形成し、両アンテナの電磁誘導の結合係数kを0.01ぐらいに小さくするまで両アンテナを離して空間をあけた場合でも、両アンテナ回路を共鳴させることができた。そして、その共鳴させたアンテナ回路では、本発明の原理の第2の場合には、インピーダンスZを式24と式25(式30と式31)であらわす誘導抵抗rに整合(等しく)させれば、電源回路3から負荷回路4へ電力を完全な伝送効率で伝送できる効果があることを見出した。また、本発明の原理の第1の場合には、インピーダンスZを式33と式34であらわす誘導抵抗rに等しくすれば、電源回路3から負荷回路4へ電力を完全な伝送効率で伝送できる効果があることを見出した。なお、本発明は、共鳴させるアンテナ間の空間に真空や空気以外の、例えば誘電体媒質を充填した回路にも適用でき、また、常磁性体を充填した回路にも適用できる。また、本発明の誘導電力伝送回路は、電力をエネルギー供給のために伝送する用途だけに限定されず、信号伝達のために電力を送信アンテナ1から受信アンテナ2に伝送する用途の誘導電力伝送回路に用いることもできる。
In the following, for each embodiment, an electromagnetic field simulation determines the output impedance Z1 of the
<第1の実施形態>
第1の実施形態として、生体内に受信アンテナを埋め込み、生体外に送信アンテナから皮膚を隔てて生体内の受信アンテナまで電力を伝送する誘導電力伝送回路を説明する。図1から図12により、第1の実施形態を説明する。図1では、送信アンテナ1は、平面上に形成した幅が1mmで厚さが50μmの銅の配線でコイル径Dが46mmの1巻のコイルを形成した。その送信アンテナ1は例えば厚さ0.025mmのポリイミドフィルム上に形成し、また、受信アンテナは、厚さが0.25mmのポリイミド層で覆って作り、生体内に手術によって埋め込むことができる。その送信アンテナ1の配線の中間に電源回路3の端子(ポート1)を直列に接続して給電する。電源回路3から送信アンテナ1まで接続する給電線は電源回路3の出力インピーダンスZ1に整合する特性インピーダンスの給電線を用いる。例えば、電源回路3の出力インピーダンスZ1が4Ωの場合は、比誘電率が3.5のポリイミドの50μmの厚さのフィルムの両面に、幅が2.4mmの銅の配線を対向させて形成した、特性インピーダンスが4Ωの給電線を用いる。送信アンテナ1には、その両端をつなぐ100pFの容量C1を設置した。配線パターンで形成する100pFの容量C1は、一辺の長さが34mmの正方形の電極を2つ平行に配置し0.1mmの空気の間隔をあけることで形成できる。また、厚さ0.025mmで誘電率が3.5のポリイミドの両面に46mm×1.8mmの矩形の電極を形成することでも100pFの容量を形成できる。受信アンテナ2は、幅が1mmで厚さが50μmの銅の配線でコイル径Gが50mmの1巻のコイルを厚さ0.025mmのポリイミドフィルムで覆って形成する。この受信アンテナ2の径は送信アンテナ1の径と異ならせても良い。その受信アンテナ2の配線の中間に負荷回路4の端子(ポート2)を直列に接続する。また、受信アンテナ2の両端をつなぐ90pFの容量C2を設置する。図1(b)の側面図のように、送信アンテナ1と受信アンテナ2は、アンテナのコイルの軸方向(XY面に垂直方向)にアンテナ間隔hの距離を隔てて配置する。そして、図2(a)の回路図の誘導電力伝送回路を構成し、電源回路3は、アンテナ回路が共鳴する角周波数ωの電流I1を送信アンテナ1に出力するように、出力電流I1を正帰還して増幅する電源回路に構成し、アンテナの共鳴角周波数ωで発振させる。
<First Embodiment>
As a first embodiment, an inductive power transmission circuit that embeds a receiving antenna in a living body and transmits power to the receiving antenna in the living body across the skin from the transmitting antenna outside the living body will be described. The first embodiment will be described with reference to FIGS. In FIG. 1, the transmitting
(電源回路3と負荷回路4のインピーダンスを整合させるアンテナの誘導抵抗値)
この誘導電力伝送回路の誘導抵抗r1とr2を、電磁界シミュレーションで、以下のように求めた。すなわち、電源回路3から負荷回路4へ最も効率良く電力を伝送する電源回路3の出力インピーダンスZ1の値を求め、その値が送信アンテナ1の誘導抵抗r1であるとし、同じく、最も効率良く電力を伝送する場合の負荷回路4の負荷インピーダンスZ2の値が受信アンテナ2の誘導抵抗r2であるとする。図3に、アンテナ間隔hを種々に変えてシミュレーションした結果の、電源回路3から負荷回路4までの電力の伝送のSパラメータ(S21)をdB(デシベル)であらわして縦軸に示す。その横軸は、電源回路が送信アンテナ1に流すアンテナ電流I1の周波数fをあらわすグラフを示す。図3(a)は、図1のアンテナ間隔hが1mmの場合を示し、図3(b)はh=10mmの場合を示し、図3(c)は、h=20mmの場合を示す。図3(a)で、アンテナ間隔hが1mmの場合は、送信アンテナ1の誘導抵抗r1が20Ωであり、受信アンテナ2の誘導抵抗r2が23Ωである。この誘導抵抗rに電源回路3と負荷回路4のインピーダンスZを一致させた場合にアンテナが共鳴して電力の伝送効率が最も良くなり、アンテナ電流I1の周波数fが40MHzの場合の電力の伝送効率は100%に近かった。アンテナ間の距離は(アンテナが共振する電磁界の波長)/(2π)以下の近傍にする。本実施形態では、周波数f=40MHzの電磁界の波長は約7.5mの波長であり、20mmのアンテナ間隔hで離しても、そのアンテナ間隔hは(アンテナが共振する電磁界の波長)/(2π)の60分の1であり十分近い。図3(b)で、アンテナ間隔hが10mmの場合は、r1=8Ωでr2=9Ωであり、図3(c)で、アンテナ間隔hが20mmの場合は、r1=4Ωでr2=4Ωである。図3(c)の、アンテナ間隔hが20mmの場合でも、S21は−0.3dBであり92%の電力を伝送できた。
(Inductive resistance value of antenna for matching impedance of
Inductive resistances r1 and r2 of this inductive power transmission circuit were obtained by electromagnetic field simulation as follows. That is, the value of the output impedance Z1 of the
以上の場合は、アンテナ間隔hが1mm、10mm、20mmの場合とも、ほとんど100%の電力を伝送した。電力伝送効率が100%となる周波数fには周波数帯域(共鳴周波数帯域)の帯域幅があり、それは、図3(a)の、アンテナ間隔hが1mmの場合は、35MHzから55MHzまでの周波数帯域であり、約20MHzの周波数帯域幅がある。電力伝送効率がほぼ100%となる共鳴周波数帯域は、アンテナ間隔hが大きくなるにつれて狭まり、図3(b)の、アンテナ間隔hが10mmの場合は、共鳴周波数帯域は36MHzから46MHzまでの約8MHzの周波数帯域幅になる。図3(c)の、アンテナ間隔hが20mmの場合は、共鳴周波数帯域は38MHzから41MHzまでの約3MHzの周波数帯域幅になる。 In the above case, almost 100% of power was transmitted even when the antenna interval h was 1 mm, 10 mm, and 20 mm. The frequency f at which the power transmission efficiency is 100% has a frequency band (resonance frequency band), which is a frequency band from 35 MHz to 55 MHz when the antenna interval h is 1 mm in FIG. And has a frequency bandwidth of about 20 MHz. The resonance frequency band in which the power transmission efficiency is almost 100% narrows as the antenna interval h increases. When the antenna interval h is 10 mm in FIG. 3B, the resonance frequency band is about 8 MHz from 36 MHz to 46 MHz. Frequency bandwidth. When the antenna interval h in FIG. 3C is 20 mm, the resonance frequency band is a frequency bandwidth of about 3 MHz from 38 MHz to 41 MHz.
図3のシミュレーションの結果の共振周波数fが40MHzであり、送信アンテナ1の両端をつないだ容量C1が100pFであることから、送信アンテナ1の実効的自己インダクタンスL1が計算でき、L1は160nHである。また、受信アンテナ2の両端をつないだ容量C2が90pFであることから、受信アンテナ2の実効的自己インダクタンスL2は180nHである。
Since the resonance frequency f of the simulation result of FIG. 3 is 40 MHz and the capacitance C1 connecting both ends of the
図4のグラフは、縦軸にシミュレーションで得た誘導抵抗r1を(2πfL1)で割り算して無次元量にした値r1/(2πfL1)を黒丸印で示し、r2を(2πfL2)で割り算して無次元量にした値r2/(2πfL2)を白丸印で示す。図4のグラフの横軸は、アンテナ間隔hを、コイル径Dとコイル径Gの積の平方根で割り算して無次元量にした(h/√(D×G))をあらわす。図4のグラフで、実線は、以下の近似式36で計算した結果を示す。
r/(2πfL)=1.8EXP(−4.3√(0.04+√(1/t2−1))) (式36)
t=√(D×G/(((D+G)/2)2+h2)) (式37)
近似式36のtは式37で計算される値である。図4で、実線で示す近似式36は、シミュレーション結果と良く一致する。
In the graph of FIG. 4, the value r1 / (2πfL1) obtained by dividing the induction resistance r1 obtained by the simulation by (2πfL1) to a dimensionless amount is indicated by a black circle on the vertical axis, and r2 is divided by (2πfL2). The dimensionless value r2 / (2πfL2) is indicated by a white circle. The horizontal axis of the graph in FIG. 4 represents the antenna interval h divided by the square root of the product of the coil diameter D and the coil diameter G to obtain a dimensionless amount (h / √ (D × G)). In the graph of FIG. 4, the solid line indicates the result calculated by the following approximate expression 36.
r / (2πfL) = 1.8EXP (−4.3√ (0.04 + √ (1 / t 2 −1))) (Formula 36)
t = √ (D × G / (((D + G) / 2) 2 + h 2 )) (Formula 37)
T in the approximate expression 36 is a value calculated by the expression 37. In FIG. 4, the approximate expression 36 indicated by the solid line is in good agreement with the simulation result.
図4の縦軸の値は、式30と式31と同じであるから、送信アンテナ1と受信アンテナ2の電磁誘導の結合係数kをあらわすことになる。それを確認するため、送信アンテナ1が直径Dの円形コイルで受信アンテナ2が直径Gの円形コイルの場合の、両コイル間の電磁誘導の結合係数kを理論的に厳密に計算し、以下の式39の係数Aであらわす式38を得た。
k=A×((−t+2/t)×K(t)−(2/t)×E(t)) (式38)
A=μ√(D×G/(L1×L2))/2 (式39)
ここで、μは透磁率であり、tは式37で定義し、K(t)は第1種完全楕円積分関数、E(t)は第2種完全楕円積分関数である。
Since the values on the vertical axis in FIG. 4 are the same as those in
k = A × ((−
A = μ√ (D × G / (L1 × L2)) / 2 (Formula 39)
Here, μ is the magnetic permeability, t is defined by Equation 37, K (t) is the first type complete elliptic integral function, and E (t) is the second type complete elliptic integral function.
この式から以下の近似式40が得られる。
k=4.86A{1.8EXP(−4.3√(0.04+√(1/t2−1)))} (式40)
式40の最初の係数の4.86AにL1=160nHとL2=180nHと真空の透磁率μ=1.26μΩ・s/mを代入すると、それは約0.88で1割強程度の誤差で1になる。すなわち、式40で計算される両コイル間の電磁誘導の結合係数kは、1割強の誤差で近似式36の値に一致する。そのため、図4の縦軸は送信アンテナ1と受信アンテナ2の電磁誘導の結合係数kに一致すると言える。そして、シミュレーションから得た誘導抵抗r1とr2は式30と式31の誘導抵抗rに一致すると言える。また、図4のグラフで、実線は、近似式36で計算した結果であり、それは、ほぼ両アンテナの配線の電磁誘導の結合係数kの計算結果をあらわしている。図4において、その結合係数kとシミュレーション結果のr/(2πfL)は良く一致し、式30と式31を満足している。
From this equation, the following
k = 4.86A {1.8 EXP (−4.3√ (0.04 + √ (1 / t 2 −1)))} (Formula 40)
Substituting L1 = 160 nH, L2 = 180 nH, and vacuum permeability μ = 1.26 μΩ · s / m into the initial coefficient of 4.86 A in
(電力伝送効率を飽和させる周波数の帯域幅)
図4から、h=1mmで(h/√(D×G))が0.02の場合は、結合係数kが0.5であり誘導抵抗rが約20Ωであり、h=10mmで(h/√(D×G))が0.2の場合は結合係数kが0.2であり誘導抵抗rが8Ωであり、h=20mmで(h/√(D×G))が0.4の場合は結合係数kが0.1であり誘導抵抗rが4Ωである。図3(a)のグラフは、h=1mmで結合係数k=0.5であり誘導抵抗rが約20Ωの場合の電力の伝送効率Peの周波数特性をSパラメータS21で示す。図3(b)のグラフは、h=10mmで結合係数k=0.2で誘導抵抗rが8Ωの場合を示し、図3(c)のグラフは、h=20mmで結合係数k=0.1で誘導抵抗rが4Ωの場合を示す。図3のこれらのグラフでは、電力の伝送効率Peが飽和する周波数fの帯域の上限は、ほぼf/fo=1/√(1−k)であり、下限は、ほぼf/fo=1/√(1+k)になっている。このため、結合係数kを大きくすると、電力の伝送効率Peが飽和する周波数fの帯域幅の割合f/foが結合係数k程度の幅を確保できる効果がある。それゆえ、結合係数kを大きくすると、送信アンテナ1から受信アンテナ2への電力伝送効率Peを飽和させる周波数帯域幅を大きくでき、両アンテナの共振周波数同士を緩い精度で一致させれば十分であり、両アンテナ回路の製造と調整が容易になる効果がある。
(Frequency bandwidth that saturates power transmission efficiency)
From FIG. 4, when h = 1 mm and (h / √ (D × G)) is 0.02, the coupling coefficient k is 0.5, the induction resistance r is about 20Ω, and h = 10 mm (h / √ (D × G)) is 0.2, the coupling coefficient k is 0.2, the induction resistance r is 8Ω, h = 20 mm, and (h / √ (D × G)) is 0.4. In this case, the coupling coefficient k is 0.1 and the induction resistance r is 4Ω. In the graph of FIG. 3A, the frequency characteristic of the power transmission efficiency Pe when h = 1 mm, the coupling coefficient k = 0.5, and the inductive resistance r is about 20Ω is indicated by the S parameter S21. The graph of FIG. 3B shows a case where h = 10 mm, the coupling coefficient k = 0.2, and the induction resistance r is 8Ω, and the graph of FIG. 3C is a graph where h = 20 mm and the coupling coefficient k = 0. 1 and the induction resistance r is 4Ω. In these graphs of FIG. 3, the upper limit of the band of the frequency f at which the power transmission efficiency Pe is saturated is approximately f / fo = 1 / √ (1-k), and the lower limit is approximately f / fo = 1 / k. √ (1 + k). For this reason, when the coupling coefficient k is increased, there is an effect that the bandwidth ratio f / fo of the frequency f at which the power transmission efficiency Pe is saturated can secure a width of about the coupling coefficient k. Therefore, if the coupling coefficient k is increased, the frequency bandwidth for saturating the power transmission efficiency Pe from the transmitting
本実施形態で、電力の伝送効率Peが飽和する周波数fの帯域幅の割合f/foが結合係数k程度の幅を確保できるので、誘導電力伝送回路の送信アンテナ1と受信アンテナ2の結合係数kを0.004以上に設定して電力を伝送すると、周波数fの帯域幅が共振周波数の0.4%以上の幅を確保することができる。そのため、結合係数kを0.004以上にすることが望ましい。そうすれば、誘導電力伝送回路に用いる部品の特性のバラツキを0.4%以内にして送信アンテナ1と受信アンテナ2の共振周波数のバラツキを0.4%以内にすることが比較的容易にできるので、この両アンテナの共振周波数のずれは電力を伝送するのに支障が無い程度の範囲内に収めることができる効果が得られる。
In this embodiment, since the bandwidth ratio f / fo at which the power transmission efficiency Pe saturates can secure a width of about the coupling coefficient k, the coupling coefficient between the
このように、本実施形態では、生体外の送信アンテナ1から生体内の受信アンテナ2に、周波数f=40MHzの高周波で電力を伝送し、電源回路3と負荷回路4のインピーダンスZ1とZ2を20Ωから4Ωの誘導抵抗r1とr2に整合することで電力を効率良く伝送できる効果がある。この効果は、アンテナ間の距離を(アンテナが共振する電磁界の波長)/(2π)以下の近傍にすることで得られる。本実施形態N周波数f=40MHzの電磁界の波長は約7.5mの波長であり、その周波数fで共振する送信アンテナ1と受信アンテナの間隔が20mmの場合は、その間隔は波長/(2π)の近傍距離の60分の1であり、十分短い。本実施形態の誘導電力伝送回路は、電力を伝送するために誘導抵抗rに整合する電源回路3の出力インピーダンスZ1及び負荷回路4の入力インピーダンスZ2は、20Ωから4Ωで小さいため、所定の電力を伝送するための回路の電圧を低くでき、電力伝送回路の安全性が高い効果がある。本実施形態では、生体の外から、非接触で20mmの厚さの生体組織を隔てた生体内にも92%の効率で電力を伝送できる効果がある。また、生体内に埋め込む受信アンテナ2には、縦横50mmで幅が1mmで厚さが、銅の厚さ50μmを25μmの厚さの絶縁体で覆った薄いアンテナを用いることができ、生体内でアンテナが占有する体積が小さいので、生体内へ埋め込み易い効果がある。
As described above, in this embodiment, power is transmitted from the transmitting
(変形例1)
変形例1として、生体内に埋め込んだ受信アンテナ2に電力を供給する交流の角周波数ωを低下させる実施形態を説明する。変形例1では、第1の実施形態の送信アンテナ1と受信アンテナ2の端部間容量C1とC2を、ほぼ4倍の、C1=400pFと、C2=360pFにする。図5のグラフに、縦軸にシミュレーション結果の電力の伝送のSパラメータ(S21)を、横軸を周波数fで表す。図5のグラフでは、電力を伝送する共振周波数fが第1の実施形態の半分の20MHzになった。図6に、縦軸に、変形例1における誘導抵抗rを無次元量のr/(2πfL)、すなわち結合係数kであらわし、横軸をアンテナ間隔hを無次元量の(h/√(D×G))であらわすグラフを示す。図6も、図4と同様に、黒丸印と白丸印はシミュレーション結果を示し、実線は、近似式36の計算値を示す。図6でも、シミュレーション結果は近似式36の計算結果と良く一致した。図6で、h=1mmで(h/√(D×G))が0.02の場合は、結合係数kが0.5であり誘導抵抗rが約10Ωであり、h=10mmで(h/√(D×G))が0.2の場合は結合係数kが0.2であり誘導抵抗rが4Ωであり、h=20mmで(h/√(D×G))が0.4の場合は結合係数kが0.1であり誘導抵抗rが2Ωであり、共振周波数fが半分になることで誘導抵抗rが半分になった。
(Modification 1)
As a first modification, an embodiment in which the AC angular frequency ω for supplying power to the receiving
(変形例2)
変形例2として、家屋の壁を隔てて電力を伝送する誘導電力伝送回路の実施形態を説明する。図7のように送信アンテナ1と受信アンテナ2の縦横の径Dをともに50mmの同じ寸法のアンテナにし、アンテナの配線は、厚さが50μmのポリイミド膜の上に形成した、幅が1mmで厚さが50μmの銅の配線にし、アンテナの両端間の容量C1とC2をともに100pFにする。アンテナの配線の上は厚さが30μm程度のソルダーレジストを印刷するかポリイミド膜を被せる等で形成した絶縁膜で覆う。この場合において、送信アンテナ1に対して受信アンテナ2を水平面(XY面)の方向で縦(Y方向)と横(X方向)にずらすずれ距離dを0にした場合をシミュレーションした。その結果、アンテナ電流が37.4MHzの周波数fで共振することを確認し、アンテナの実効的自己インダクタンスはL1=L2=L=176nHであることがわかった。図8に、縦軸に誘導抵抗rを無次元量のr/(2πfL)=結合係数kであらわし、横軸にアンテナ間隔hを無次元量の(h/D)であらわすグラフを示す。図8のグラフの横軸は、アンテナの軸方向のアンテナ間隔hを2mmから50mmまで種々に変えた場合をあらわす。図8のグラフの黒丸印はシミュレーションから得たrをあらわし、実線は、近似式36の計算結果を示す。シミュレーション結果は近似式36と良く一致した。
(Modification 2)
As a second modification, an embodiment of an inductive power transmission circuit that transmits power across a wall of a house will be described. As shown in FIG. 7, the transmitting
また、図8で、(h/D)が1の場合に誘導抵抗rが0.8Ωになり結合係数kが約0.02になった。また、(h/D)が2になる場合は、シミュレーションの結果の誘導抵抗rは0.24Ωになり、結合係数kは0.006になった。そして電力伝送効率Peは22%あった。結合係数kが0.006程度あれば、先に説明したように電力の伝送効率Peが飽和する周波数fの帯域幅の割合f/foは結合係数k程度の幅を確保できるため、電力伝送効率Peの飽和する周波数fの帯域幅は共振周波数foの0.6%程度ある。そのため、0.6%程度の特性のバラツキのある部品を使っても、送信アンテナ1と受信アンテナ2の共振周波数のバラツキを許容範囲内に留めることができる効果がある。このように、直径Dのコイルの送信アンテナ1と受信アンテナ2の間隔hをアンテナのコイルの直径Dの2倍以下にすることで、実用的な誘導電力伝送回路が構成できる効果がある。
In FIG. 8, when (h / D) is 1, the induction resistance r is 0.8Ω, and the coupling coefficient k is about 0.02. When (h / D) is 2, the inductive resistance r as a result of the simulation is 0.24Ω, and the coupling coefficient k is 0.006. The power transmission efficiency Pe was 22%. If the coupling coefficient k is about 0.006, the bandwidth ratio f / fo of the frequency f at which the power transmission efficiency Pe is saturated as described above can secure a width of about the coupling coefficient k. The bandwidth of the frequency f at which Pe is saturated is about 0.6% of the resonance frequency fo. For this reason, even if a component having a characteristic variation of about 0.6% is used, there is an effect that the variation in the resonance frequency of the transmitting
図9のグラフは、縦軸が、変形例2の幅1mmの銅の配線のアンテナでの、共振周波数fの37MHzにおける電力伝送効率Peをあらわす。横軸は(h/D)をあらわす。図9では、電力伝送効率Peは(h/D)が大きくなるとともに低下する。その理由は、(h/D)が大きくなると結合係数kが小さくなり、式24と式25であらわされる誘導抵抗r1とr2が小さくなり、式29の電力伝送効率Peが小さくなるからである。図9では、アンテナ間隔hをコイル径Dと同じ距離の50mm離した場合(h/D=1の場合)でも、電力伝送効率が約75%あり、十分効率良く電力を伝送できた。このように、家屋内の電源回路3から50mm程度の厚さの壁を隔ててコイル径Dが50mmの送信アンテナ1と受信アンテナ2を非接触で対向させて、家屋の壁に配線のための孔をあけずに、家屋外の照明装置や表示装置などの負荷回路4に約75%の効率で屋外に電力を供給する装置が製造できる。
In the graph of FIG. 9, the vertical axis represents the power transmission efficiency Pe at a resonance frequency f of 37 MHz in the antenna of copper wiring having a width of 1 mm according to the second modification. The horizontal axis represents (h / D). In FIG. 9, the power transmission efficiency Pe decreases as (h / D) increases. The reason is that as (h / D) increases, the coupling coefficient k decreases, the induction resistances r1 and r2 expressed by
なお、アンテナの配線のコイル(螺旋)の巻き数を増して実効的インダクタンスLを大きくすることにより、アンテナの配線の導通抵抗に比して誘導抵抗rを大きくできるので、電力伝送効率Peの式29に従って、電力伝送効率Peを大きくできる効果がある。一方、アンテナの両端を大きな容量C1とC2のコンデンサ(キャパシタンス素子)で接続すると、共振角周波数ωが小さくなり、それにより誘導抵抗rが小さくなるので、式29に従って電力伝送効率Peが小さくなる。 Note that by increasing the number of turns of the coil (spiral) of the antenna wiring and increasing the effective inductance L, the induction resistance r can be increased as compared to the conduction resistance of the antenna wiring. 29 is effective in increasing the power transmission efficiency Pe. On the other hand, when both ends of the antenna are connected by capacitors (capacitance elements) having large capacitances C1 and C2, the resonance angular frequency ω is decreased, and thereby the induction resistance r is decreased. Therefore, the power transmission efficiency Pe is decreased according to Equation 29.
(変形例3)
変形例3として、家屋の壁を隔てて電力を伝送する誘導電力伝送回路において、電力を伝送する交流の角周波数ωを低下させる実施例を説明する。変形例2の送信アンテナ1と受信アンテナ2に、変形例2の4倍の400pFの端部間容量C1とC2を設置した場合をシミュレーションし、共振周波数fが変形例2の半分の約20MHzに低下させることができた。図10に、縦軸に誘導抵抗rを無次元量のr/(2πfL)であらわし、横軸にアンテナ間隔hを無次元量の(h/D)であらわすグラフを示す。図10で、黒丸印はシミュレーション結果の誘導抵抗r=r1=r2を示し、実線は近似式36の結果を示す。図10でも、シミュレーション結果は近似式36に良く一致した。
(Modification 3)
As a third modification, a description will be given of an embodiment in which the angular frequency ω of alternating current that transmits power is reduced in an inductive power transmission circuit that transmits power across a wall of a house. The case where 400 pF end-to-end capacitances C1 and C2 that are four times that of the second modification are installed in the
(変形例4)
変形例4として、家屋の壁等の絶縁体を隔てて電力を伝送する誘導電力伝送回路において、図7の送信アンテナ1と受信アンテナ2の相対位置を縦横にずれ距離dずらして用いる誘導電力伝送回路を示す。この誘導電力伝送回路において、送信アンテナ1と受信アンテナ2の端部間容量C1とC2を100pFに固定し、アンテナ間隔hを2mmに固定した場合について、種々のdの場合についてシミュレーションして以下に説明する回路の整合条件を求めた。この場合のアンテナ回路の共振周波数fは、変形例2と同じ37.4MHzのfoに固定した。図11に、この共振周波数f=37.4MHzにおけるシミュレーション結果を黒丸印であらわし、縦軸に誘導抵抗rを無次元量のr/(2πfL)であらわし、横軸にコイルのずれ距離dを無次元量(d/D)であらわすグラフを示す。コイルの位置を水平方向にずらすと、アンテナに現われるインピーダンスrが低下した。この原因は、コイルの位置をずらすと、コイル同士の電磁誘導の結合係数kが小さくなる為であると考える。
(Modification 4)
As a fourth modification, in an inductive power transmission circuit that transmits power across an insulator such as a wall of a house, inductive power transmission is used in which the relative positions of the transmitting
図12に、電源回路3から負荷回路4までの電力伝送効率(縦軸)を、横軸をコイルのずれ距離dを無次元量(d/D)であらわすグラフを示す。図12から、(d/D)が0.4以下、すなわち、コイルのずれ距離dが20mm以下ならば90%以上の電力伝送効率があり、十分効率良く電力を伝送できる。コイルのずれ距離dが(d/D)=0.66になる位置では電力伝送効率が略0になる。この位置では、一方のアンテナのコイルが発生して他方のアンテナのコイルを横切る磁界の方向がアンテナのコイル内の場所により反転して磁界の正負が逆になるため、磁界の総和が0になり、誘導電圧及び結合係数kが0になる為と考える。図12のように、(d/D)が0.4を超えると電力伝送効率が回復して来る。
FIG. 12 is a graph showing the power transmission efficiency (vertical axis) from the
この送信アンテナ1と受信アンテナ2のコイルの軸を横方向にのみ、アンテナの径D=50mmの2倍の距離の100mmずらすと、誘導抵抗rが0.23Ωになり、アンテナ系のコイルの結合係数kと等しいr/(2πfL)が0.005になり、電力伝送効率Peが20%の効率で電力を伝送できる。このように、アンテナのコイルの軸をずらす距離をアンテナの径Dの2倍以下にすることで、アンテナの結合係数kが0.005以下になるので、電力伝送効率Peの飽和する周波数fの帯域幅は共振周波数foの0.5%程度あるので、0.5%程度の特性のバラツキのある部品を使っても、送信アンテナ1と受信アンテナ2の共振周波数のバラツキを許容範囲内に留めることができる。そのため、直径Dのコイルの送信アンテナ1と受信アンテナ2の間隔dを、コイルの直径Dの2倍以下にすることで実用的な誘導電力伝送回路を構成できる。
If the axes of the coils of the
なお、送信アンテナ1と受信アンテナ2の結合係数kは0.004以上に限定されず、結合係数kがそれより小さい場合も、送信アンテナ1側で送信アンテナ1の共振周波数fを受信アンテナ2の共振周波数に同調させる回路を加えれば、効率良く電力を伝送する誘導電力伝送回路を構成できる。
Note that the coupling coefficient k between the
<第2の実施形態>
第2の実施形態として、生体外の送信アンテナ1から皮膚を隔てて生体内の受信アンテナ2まで電力を伝送する誘導電力伝送回路において、送信アンテナ1と受信アンテナ2の位置が安定せず電磁誘導の結合係数kが変動することに適応して安定して電力を供給する誘導電力伝送回路を示す。この誘導電力伝送回路のアンテナは、図7の送信アンテナ1と受信アンテナ2を用いる。
<Second Embodiment>
As a second embodiment, in the induction power transmission circuit that transmits power from the in vitro transmitting
図13(a)に、図7の送信アンテナ1と受信アンテナ2の間隔h=10mm(h/D=0.2)の場合について、電源回路3と負荷回路4のインピーダンスZを変えた場合の電力伝送効率(%)をあらわす。ただし、図13(a)で、インピーダンスZをあらわす横軸は、無次元量のZ/(2πfL)であらわす。図13(a)において、実線は、第2の実施形態以外の場合で、周波数fを37.4MHzに固定した場合の電力の伝送効率を示し、破線は、第2の実施形態の場合であり、アンテナ電流の周波数fを、最大の電力を伝送する周波数fに適合させて変えた場合の電力の伝送効率を示す。
FIG. 13A shows a case where the impedance Z between the
図13(b)には、図13(a)の横軸の特定のインピーダンスZに関して、そのインピーダンスZでの誘導電力伝送回路の電力の伝送のSパラメータ(S21)をdB表示であらわす。図13(b)の横軸は、アンテナ電流の周波数fをあらわす。図13(a)で、Z/(2πfL)が0.22、すなわちZが9Ω、より大きい場合は、電力の伝送効率は低下する。0.22は電磁誘導の結合係数kである。一方、Z/(2πfL)が結合係数kの0.22、すなわちZが9Ω、より小さい場合は、以下の2つの場合に分かれる。伝送する電力の周波数fを37.4MHzに固定する場合は、電力の伝送効率は、電源回路3および負荷回路4のインピーダンスZが誘導抵抗rより低下するにつれて低下する。一方、アンテナ電流の周波数fを、最大の電力を伝送する周波数fに適合させて変える場合は、図13(a)の破線で示すように、電力の伝送効率はほとんど低下しない。第2の実施形態では、そのように、周波数fを、最大の電力を伝送する周波数fに適合させて変える。
In FIG. 13B, regarding the specific impedance Z on the horizontal axis of FIG. 13A, the S parameter (S21) of power transmission of the inductive power transmission circuit at the impedance Z is expressed in dB. The horizontal axis in FIG. 13B represents the frequency f of the antenna current. In FIG. 13A, when Z / (2πfL) is 0.22, that is, Z is larger than 9Ω, the power transmission efficiency decreases. 0.22 is a coupling coefficient k of electromagnetic induction. On the other hand, when Z / (2πfL) is 0.22 of the coupling coefficient k, that is, Z is smaller than 9Ω, it is divided into the following two cases. When the frequency f of the power to be transmitted is fixed to 37.4 MHz, the power transmission efficiency decreases as the impedance Z of the
第2の実施形態の誘導電力伝送回路は、本発明の原理の説明におけるωがωo以外の場合である第2の場合を利用する。すなわち、送信アンテナ1と受信アンテナ2の位置が安定せず電磁誘導の結合係数kが変動する場合に適応する誘導電力伝送回路として、誘導抵抗r1の上限の値より小さな値に出力インピーダンスZ1を固定した電源回路3と、Z1×(L2/L1)の値に入力インピーダンスZ2を固定した負荷回路4を用いる。そして、送信アンテナ1と受信アンテナ2の位置の変化に伴う結合係数kの値の変化に応じて電源回路3の電流の共振角周波数ωを適応させて変えて両アンテナを共鳴させる共鳴周波数調整回路を電源回路3に設置する。その共鳴周波数調整回路は、送信アンテナ1の共振電流を正帰還回路により電源回路3に正帰還させて、その電流を増幅して電源回路3から出力させる回路で構成する。これにより、電源回路3から共振角周波数ωに適応した周波数の電流I1を取り出す。すなわち、電力を伝送する交流の角周波数ωを、L1×C1×(1+k・cos(β))の値の逆数の平方根に適応させて、電力を最大の効率で伝送する誘導電力伝送回路である。
The inductive power transmission circuit according to the second embodiment uses the second case where ω is other than ωo in the description of the principle of the present invention. In other words, the output impedance Z1 is fixed to a value smaller than the upper limit value of the induction resistance r1 as an induction power transmission circuit adapted to the case where the positions of the
これにより、第2の実施形態は、ωをωo以外にし、式20から式31の関係を成り立たせる。式28に示すωが式19の値ωoからずれるに従い、すなわち、βがπ/2からずれるに従い、cos(β)を0から±1にまで変え、式28の共鳴角周波数ωをωoから式41の値にまで変える。
ω≒ωo/√(1±k) (式41)
そして、sin(β)を1より小さくし0に近づけ、式24と式25に示す誘導抵抗r1とr2を上限値のkωL1およびkωL2より小さくする。このように、第2の実施形態は、共鳴角周波数ωがωoからずれた値で、この式24と式25に示す小さな誘導抵抗r1とr2に電源回路3の出力インピーダンスZ1と、負荷回路4の負荷インピーダンスZ2を等しくすることにより、電力を完全な効率で伝送できる。この場合に、誘導抵抗r1とr2の比は実効的自己インダクタンスL1とL2の比になる。このように、第2の実施形態の誘導電力伝送回路は、アンテナ間の距離が変化し安定しない場合でも、その変化に適応してアンテナ回路を共鳴させ、完全な効率の電力伝送を維持させることができる効果がある。
Thus, in the second embodiment, ω is set to other than ωo, and the relationship of
ω≈ωo / √ (1 ± k) (Formula 41)
Then, sin (β) is made smaller than 1 and brought close to 0, and the induction resistances r1 and r2 shown in
<第3の実施形態>
第3の実施形態として、家屋の壁を隔てて電力を伝送する誘導電力伝送回路で、アンテナの渦巻き配線の巻数を増すことでアンテナの誘導抵抗を大きくし、その誘導抵抗を電源回路3から送信アンテナ1までの電力の給電線の特性インピーダンスに近づける誘導電力伝送回路の実施形態を示す。図14(a)に第3の実施形態の誘導電力伝送回路の送信アンテナ1と受信アンテナ2の平面図を示し、図14(b)に側面図を示す。第1の実施形態と同様に、送信アンテナ1に電源回路3を接続し、受信アンテナ2に負荷回路4を接続する。図14では、送信アンテナ1として、厚さ50μmのポリイミドフィルム上に幅が1mmで厚さが50μmの銅の配線で形成したコイル径Dが54mmの3巻のコイルのアンテナの両端を280pFの端部間容量C1でつなぎ、アンテナの中間に電源回路3から給電する端子(ポート1)を設置した。受信アンテナ2は、送信アンテナ1と同じ形で同じ寸法のアンテナとし、縦横54mmの3巻のコイル状アンテナの両端を280pFの端部間容量C2でつなぎ、そのアンテナの中間に負荷回路4の端子(ポート2)を設置した。送信アンテナ1のコイルと受信アンテナ2のコイルは、図14(b)の側面図のように、コイル面を平行にし、コイル面(XY面)に垂直方向のアンテナ間隔hだけ離して配置し、更に、両者のコイルの軸を横(X)方向にのみ7mmのずれ距離dでずらして、縦(Y)方向にはずらさず配置した。
<Third Embodiment>
In an inductive power transmission circuit that transmits power across a wall of a house as a third embodiment, the inductive resistance of the antenna is increased by increasing the number of turns of the spiral wiring of the antenna, and the inductive resistance is transmitted from the
シミュレーションの結果、共振周波数fは9MHzになり、送信アンテナ1の実効的自己インダクタンスL1と受信アンテナ2の実効的自己インダクタンスL2は、ともに1.2μHであった。本実施形態では、送信アンテナ1と受信アンテナ2は、コイルが3巻であり、第1の実施形態のコイルの巻き数の3倍あるので、このコイルのアンテナの実効的自己インダクタンスL=L1=L2はコイルの巻き数の二乗に近い約7倍に大きくなった。そして、共振周波数f=9MHzの前後に、図3と同様な形のグラフで電力の伝送効率の周波数特性グラフを得た。この実施形態の実効的自己インダクタンスLは第1の実施形態の7倍になったので、共振の周波数fが第1の実施形態の40MHzから9MHzに下がっても、誘導抵抗rの値kωLは第1の実施形態より大きくなり、それに整合させる電源回路3及び負荷回路4のインピーダンスZを大きくできる。そして、誘導抵抗rが大きくなると、式29であらわせる電力伝送効率Peを向上させる効果がある。
As a result of the simulation, the resonance frequency f was 9 MHz, and the effective self-inductance L1 of the transmitting
図15(a)に、第3の実施形態の共振周波数f=9MHzにおける誘導抵抗rを無次元量のr/(2πfL)にして縦軸であらわし、横軸にアンテナ間隔hを無次元量の(h/D)であらわすグラフを示す。図15(a)で、黒丸印はシミュレーション結果を示し、実線は、近似式36の値を示す。図15(a)は、シミュレーション結果は近似式36に概ね一致した。図15(b)に、縦軸に電源回路3から負荷回路4までの電力伝送効率をあらわし、横軸にアンテナ間隔hを無次元量(h/D)であらわすグラフを示す。図15(b)から、アンテナ間隔hをコイル径Dの6割程度の約30mm離した場合(h/D=0.6の場合)でも、電力伝送効率が約90%あり十分効率良く電力を伝送できる。
In FIG. 15A, the inductive resistance r at the resonance frequency f = 9 MHz of the third embodiment is expressed as a dimensionless amount r / (2πfL), and the abscissa represents the antenna interval h as the dimensionless amount. The graph represented by (h / D) is shown. In FIG. 15A, the black circles indicate the simulation results, and the solid line indicates the value of the approximate expression 36. In FIG. 15 (a), the simulation result almost coincides with the approximate expression 36. FIG. 15B shows a graph in which the vertical axis represents the power transmission efficiency from the
(変形例5)
変形例5として、第3の実施形態の送信アンテナ1と受信アンテナ2それぞれの両端をつなぐ端部間容量C1とC2の容量を第3の実施形態の容量の16分の1の17pFにして共振周波数fを高くした場合を示す。変形例5の場合は共振周波数f=35MHzで共振した。図16(a)に、その場合の誘導抵抗rを無次元量のr/(2πfL)で縦軸であらわし、横軸にアンテナ間隔hを無次元量の(h/D)であらわすグラフを示す。このように、端部間容量C1とC2の容量を約16分の1に小さくすると、共振周波数fは約4倍の35MHzに大きくなった。図16(a)は、黒丸印で示すシミュレーション結果は実線で示す近似式36に概ね一致した。図16(b)に、縦軸に電源回路3から負荷回路4までの電力伝送効率をあらわし、横軸にアンテナ間隔hを無次元量(h/D)であらわすグラフを示す。図16(b)から、アンテナ間隔hをコイル径Dの8割程度の約40mm離した場合(h/D=0.8の場合)でも、電力伝送効率が約90%あり十分効率良く電力を伝送できる。図16(a)から、アンテナ間隔hを1mm離して(h/D)を約0.6にする場合に、r/(2πfL)=結合係数kが0.6になり誘導抵抗rが158Ωに高くなる。この実施形態の実効的インダクタンスLは第1の実施形態の7倍になったので、第1の実施形態の40MHzとほぼ同じ周波数fの35MHzの場合では、誘導抵抗rの値kωLは第1の実施形態の7倍に大きくなり、それに整合させる電源回路3及び負荷回路4のインピーダンスZが7倍に大きくなる。そして、誘導抵抗rが大きくなるので式29であらわせる電力伝送効率Peを向上させる効果がある。
(Modification 5)
As a fifth modification, the capacitance of the end-to-end capacitances C1 and C2 connecting both ends of the
<第4の実施形態>
第4の実施形態として、第3の実施形態のアンテナの両端に外部コンデンサを加えずに共振周波数fを高くすることでアンテナの誘導抵抗を高くし、電源回路3から送信アンテナ1までの電力の給電線に特性インピーダンスの高い給電線を用いる場合を示す。すなわち、第4の実施形態では、図14の送信アンテナ1と受信アンテナ2の両端を開放し、アンテナの端部間を寄生容量のみでつなぎ、外部コンデンサは加えない。第4の実施形態の誘導電力伝送回路のアンテナ系は、周波数f=154MHzで共振する。共振周波数f=154MHzと、外部コンデンサを加えた場合に得たアンテナのコイルの実効的自己インダクタンスL=1.2μHとから計算すると、このアンテナのコイルの両端は実効的に約1pFの寄生容量でつながれていることがわかる。このため、アンテナのコイル端を開放した状態でも、図2の回路図で送信アンテナ1と受信アンテナ2それぞれのアンテナの両端に約1pFのコンデンサをつないだ回路とみなせる。
<Fourth Embodiment>
As a fourth embodiment, the induction resistance of the antenna is increased by increasing the resonance frequency f without adding an external capacitor to both ends of the antenna of the third embodiment, and the power from the
図17(a)に、第4の実施形態の共振周波数f=154MHzにおける誘導抵抗rを無次元量のr/(2πfL)で縦軸であらわし、横軸にアンテナ間隔hを無次元量の(h/D)であらわすグラフを示す。ここでr/(2πfL)を計算する基礎にするLの値としては、外部コンデンサを加えた場合に得たアンテナのコイルの実効的自己インダクタンスL=1.2μHを用いた。黒丸印はシミュレーション結果を示し、点線は近似式36の値×(2/π)を示す。アンテナ端部間に寄生容量以外には外部コンデンサを加えずアンテナ端を開放した場合は、アンテナ電流分布がアンテナの端部間を個別のコンデンサで接続した場合と異なり、アンテナの端部に近づくにつれアンテナ電流が小さくなる。そして、アンテナ電流の平均値がアンテナの中間のポートでの電流値の(2/π)倍になる。そのため、点線のグラフは、アンテナ電流の平均値のポート電流に対する減少分を補正するために近似式36の右辺の式に(2/π)を掛け算した値を示す。その補正結果の値がシミュレーション結果に一致した。この補正が必要になった理由は、アンテナ端を開放した場合のアンテナのコイルの実効的自己インダクタンスLは、外部コンデンサを加えた場合に得たアンテナのコイルの実効的自己インダクタンスLとは変わってしまうことに依ると考える。近似式36に用いるLは、アンテナ電流の分布に応じて変化する実行的自己インダクタンスLを用いるべきである。このアンテナでアンテナ端を開放した場合の実効的インダクタンスLの値は、アンテナ端に大きな容量を接続した場合の実効的インダクタンスの値の概ね(2/π)倍になるので、近似式36を用いる場合にLの値として、外部コンデンサを加えた場合に得た実効的自己インダクタンスLを用いる場合は、計算結果を補正する必要がある考える。 In FIG. 17A, the inductive resistance r at the resonance frequency f = 154 MHz of the fourth embodiment is represented by a dimensionless amount r / (2πfL) on the vertical axis, and the antenna interval h is represented by a dimensionless amount ( A graph represented by h / D) is shown. Here, as the value of L used as a basis for calculating r / (2πfL), the effective self-inductance L = 1.2 μH of the coil of the antenna obtained when an external capacitor is added was used. Black circles indicate simulation results, and dotted lines indicate the value of the approximate expression 36 × (2 / π). When the antenna end is opened without adding an external capacitor other than the parasitic capacitance between the antenna ends, the antenna current distribution differs from the case where the antenna ends are connected by individual capacitors, as the antenna ends are approached. The antenna current is reduced. The average value of the antenna current is (2 / π) times the current value at the intermediate port of the antenna. Therefore, the dotted line graph represents a value obtained by multiplying the expression on the right side of the approximate expression 36 by (2 / π) in order to correct the decrease of the average value of the antenna current with respect to the port current. The value of the correction result coincided with the simulation result. The reason why this correction is necessary is that the effective self-inductance L of the antenna coil when the antenna end is opened is different from the effective self-inductance L of the antenna coil obtained when an external capacitor is added. I think that it depends on. The effective self-inductance L that changes according to the distribution of the antenna current should be used as L used in the approximate expression 36. Since the effective inductance L when the antenna end is opened with this antenna is approximately (2 / π) times the effective inductance when a large capacitance is connected to the antenna end, the approximate expression 36 is used. In this case, when the effective self-inductance L obtained when an external capacitor is added is used as the value of L, the calculation result needs to be corrected.
図17(a)から、アンテナ間隔hを4mm離して(h/D)を0.074にする場合に、r/(2πfL)が0.22になり誘導抵抗rが260Ωになる。第4の実施形態では、アンテナ間隔hを約4mm離すことで、誘導抵抗rを約260Ωにする。この誘導抵抗rには、平行2線の給電線の特性インピーダンスが良く整合する。平行2線の給電線の特性インピーダンスは、給電線の2線間の距離が給電線の半径の10倍の場合は給電線の特性インピーダンスが277Ωになり260Ωの誘導抵抗rに近いからである。第4の実施形態では、誘導抵抗rを高くしそれに整合する電源回路3と給電線の特性インピーダンスを高くしたので、電力を伝送するための電流が少なくなり給電線の導体抵抗に電流が流れることによる損失を少なくできる効果がある。
From FIG. 17A, when the antenna interval h is 4 mm apart and (h / D) is 0.074, r / (2πfL) is 0.22, and the induction resistance r is 260Ω. In the fourth embodiment, the induction resistance r is set to about 260Ω by separating the antenna interval h by about 4 mm. The characteristic impedance of the parallel two-wire feed line is well matched with the induction resistance r. This is because the characteristic impedance of the two parallel feed lines is close to the induction resistance r of 260Ω when the distance between the two feed lines is 10 times the radius of the feed line and the characteristic impedance of the feed line is 277Ω. In the fourth embodiment, the inductive resistance r is increased and the characteristic impedance of the
図17(b)に、縦軸に電源回路3から負荷回路4までの電力伝送効率をあらわし、横軸にアンテナ間隔hを無次元量(h/D)であらわすグラフを示す。図17(b)から、アンテナ間隔hをコイル径Dの8割(h/D=0.8)の43mm程度離した場合でも、電力伝送効率が約90%あり十分効率良く電力を伝送できる。
FIG. 17B is a graph in which the vertical axis represents the power transmission efficiency from the
<第5の実施形態>
第5の実施形態は、本発明の原理の第2の場合を利用して、変成器を構成する誘導電力伝送回路を示す。すなわち、図2(a)の回路図で、空芯コイルの送信アンテナ1と受信アンテナ2を共鳴電磁界の波長の2π分の1より近い距離に設置し、コイルの巻き数を変えて実効的自己インダクタンスL1とL2を変えることで、電源回路3の出力インピーダンスZ1を、(L2/L1)倍の、負荷回路4の負荷インピーダンスZ2に変換する変成器を構成する誘導電力伝送回路を示す。第5の実施形態は、共振角周波数ωがωoと異なる場合の本発明の原理の第2の場合には、アンテナのコイルの誘導抵抗rが、式24と式25に従って、アンテナの配線のコイル(巻線)の実効的自己インダクタンスLに比例して変わり、その比例係数は結合係数kと2πfとsin(β)の積であることを利用した。この変成器は、送信アンテナ1側に接続した電源回路3のkωL1以下のインピーダンスを、受信アンテナ側で見るとkωL2以下の出力インピーダンスに変換できる効果がある。本実施形態で、ポリイミドフィルム上に銅の配線をエッチングして螺旋状のパターン形成した空芯コイルの送信アンテナ1と受信アンテナ2の間隔に磁性体を設けず、アンテナ同士を空気中(あるいは絶縁体中)で対向させ近づけると、結合係数kが大きくなり、インピーダンス変換できるインピーダンスの値の上限が大きくなるので、両アンテナを空気中(あるいは絶縁樹脂などの絶縁体中)で近づけることが望ましい。この変成器では、送信アンテナ1の実効的自己インダクタンスL1と受信アンテナ2の実効的自己インダクタンスL2を、アンテナのコイルの巻数を変えて調整することでインピーダンスの変換率(L2/L1)を調整する。アンテナの配線のコイルの実効的自己インダクタンスLは、概ね巻数の二乗に比例して変わる。このように、第5の実施形態の変成器は、異なるインピーダンスZ1を持つ電源回路3と負荷回路4のインピーダンスZ2を変換して、電源回路3から負荷回路4へ略100%の電力を伝送する誘導電力伝送回路である。
<Fifth Embodiment>
The fifth embodiment shows an inductive power transmission circuit constituting a transformer by using the second case of the principle of the present invention. In other words, in the circuit diagram of FIG. 2 (a), the transmitting
第5の実施形態の変成器は電源回路3の出力インピーダンスZ1を送信アンテナ1の誘導抵抗r1に一致させ、負荷回路4の入力インピーダンスZ2を受信アンテナ2の誘導抵抗r2に一致させる。誘導抵抗r1とr2は式24と式25のsin(β)を小さくすることで小さくしてインピーダンスZ1とZ2に整合させる。その整合条件を満たす共鳴の角周波数ωはそのβの値に従って、式28であらわされるように、ωoから式41の値(ωo/√(1±k))にまで変わる。式28の共振角周波数ωは、cos(β)が負の共鳴条件の場合は、ωoより高い角周波数にシフトし、図13(b)の2山のグラフの右の山を形成する。受信アンテナ2の電流I2は送信アンテナ1の電流I1を打ち消すように逆向きに流れ、送信アンテナ1と受信アンテナ2の総体のアンテナ系が外部に発生する電磁界が小さくなり、この変成器の発生する不要電磁波ノイズ(EMI)が小さくなる効果がある。
The transformer according to the fifth embodiment makes the output impedance Z1 of the
また、cos(β)が正の共鳴条件の場合は、共振角周波数ωはωoより低い角周波数にシフトし、図13(b)の2山のグラフの左の山を形成する。受信アンテナ2の電流I2は送信アンテナ1の電流I1と同じ方向に流れ、送信アンテナ1と受信アンテナ2の総体のアンテナ系が外部に発生する電磁界が大きくなるが、その一方、この場合には、1つの送信アンテナ1のアンテナ配線のコイルの軸に、アンテナ配線のコイルの軸を共有する複数の受信アンテナ2を平行に設置して、同時に複数の受信アンテナ2の回路に無線電力を給電できる効果がある。
When cos (β) is a positive resonance condition, the resonance angular frequency ω is shifted to an angular frequency lower than ωo, forming the left peak of the two peak graph in FIG. The current I2 of the receiving
なお、空芯コイルの送信アンテナ1と受信アンテナ2を(共鳴電磁界の波長)/(2π)よりも近い距離に設置して構成する第5の実施形態の変成器は、空芯コイルを空気中あるいは絶縁樹脂中で対向させて用いると、従来の変成器に比べ、重量と寸法を軽減できる効果がある。また、第5の実施形態の変成器は、コアに強磁性体の材料を用いる従来の変成器がその強磁性体の周波数特性により制約されて使えなかった高周波においても、制約無く変成器を構成できる効果がある。
Note that the transformer of the fifth embodiment in which the transmitting
<第6の実施形態>
本発明の第6の実施形態として、集積回路の配線層間に電力を伝送する誘導電力伝送回路を示す。図18(a)に、第6の実施形態の送信アンテナ1と受信アンテナ2の平面図を示し、図18(b)に側面図を示す。送信アンテナ1の配線の中間に電源回路3の端子(ポート1)を設置し、受信アンテナ2の配線の中間に負荷回路4の端子(ポート2)を設置する。図18では、送信アンテナ1と受信アンテナ2として、集積回路チップの配線層に形成した、厚さが1μmの銅で、第3の実施形態の1000分の1の寸法のコイルを用いた。すなわち、送信アンテナ1と受信アンテナ2は、配線幅が1μmでコイル径Dが54μmの3巻のコイルを用いた。このアンテナのコイルは集積回路チップ内の絶縁樹脂等の上層に形成したグローバル配線層に形成することが望ましい。また、このアンテナのコイル状の配線の両端は開放してその両端間は寄生容量で結合させる。集積回路チップの配線層に受信アンテナ2の配線を形成し、その集積回路を設置する基板の配線層に送信アンテナ1の銅の配線を形成し、基板側から集積回路チップに無線で電力を供給する誘導電力伝送回路が構成できる。図18(b)の側面図のように、送信アンテナ1のコイルと受信アンテナ2のコイルは、両者のコイルの軸を横(X)方向にのみ7μmのずれ距離dでずらして、縦(Y)方向にはずらさず、コイルの面に平行にアンテナ間隔hを保って配置した。
<Sixth Embodiment>
As an sixth embodiment of the present invention, an inductive power transmission circuit for transmitting power between wiring layers of an integrated circuit is shown. FIG. 18A shows a plan view of the transmitting
図19(a)に、この場合の共振周波数f=140GHzにおける誘導抵抗rを無次元量のr/(2πfL)で縦軸であらわし、横軸にアンテナ間隔hを無次元量の(h/D)であらわすグラフを示す。このアンテナのコイルの実効的自己インダクタンスLは1.3nHであり、このアンテナのコイルの両端は実効的に約0.001pFの寄生容量でつながれた。図19(a)で、黒丸印はシミュレーション結果を示し、点線は近似式13の値×(2/π)を示す。このグラフは、第4の実施形態の結果と同様に黒丸印のシミュレーション結果が点線のグラフに一致した。アンテナ間隔hをコイル径Dの2割(h/D=0.2)程度の約10μm離す場合はr/(2πfL)が0.12で誘導抵抗rが約140Ωあり、アンテナ間隔hをコイル径Dの4割(h/D=0.4)程度の約20μm離す場合はr/(2πfL)が0.08で誘導抵抗rが約90Ωある。電源回路3及び負荷回路4のインピーダンスはこれらの誘導抵抗に整合させる。図19(b)に、縦軸に電源回路3から負荷回路4までの電力伝送効率をあらわし、横軸にアンテナ間隔hを無次元量(h/D)であらわす。図19(b)から、アンテナ間隔hをコイル径Dの2割(h/D=0.2)程度の約10μm離す場合、電力伝送効率が約80%あり十分効率良く電力を伝送できる。コイル径Dの4割(h/D=0.4)程度の約20μm離す場合も電力伝送効率が約60%ある。この現象を利用して、半導体集積回路内に54μm程度の直径のコイル状の送信アンテナ1と受信アンテナ2間のアンテナ間隔hを10μmから20μm離してアンテナを対向させて非接触で効率良く電力を伝送する回路を構成できる。また、電力を伝送する信号層間の距離、すなわちアンテナ間隔hを数倍大きくする場合は、アンテナの直径Dを数倍に大きくすることで、効率良く電力を伝送する誘導電力伝送回路を構成できる。また、集積回路チップの配線層に受信アンテナ2の配線を形成し、その集積回路を設置する基板の配線層に送信アンテナ1の銅の配線を形成する場合に、図23の例のように、基板側の送信アンテナ1の寸法を集積回路チップ側の受信アンテナ2の寸法より大きく形成することもできる。。
In FIG. 19A, the inductive resistance r at the resonance frequency f = 140 GHz in this case is represented by a dimensionless amount r / (2πfL) on the vertical axis, and the antenna interval h is represented by a dimensionless amount (h / D) on the horizontal axis. ). The effective self-inductance L of this antenna coil was 1.3 nH, and both ends of the coil of this antenna were effectively connected with a parasitic capacitance of about 0.001 pF. In FIG. 19A, the black circles indicate the simulation results, and the dotted lines indicate the value of the approximate expression 13 × (2 / π). In this graph, similar to the result of the fourth embodiment, the simulation result indicated by the black circle coincides with the dotted line graph. When the antenna interval h is about 10 μm apart, which is about 20% of the coil diameter D (h / D = 0.2), r / (2πfL) is 0.12, the induction resistance r is about 140Ω, and the antenna interval h is the coil diameter. When about 20 μm, which is about 40% of D (h / D = 0.4), r / (2πfL) is 0.08 and the induction resistance r is about 90Ω. The impedances of the
<第7の実施形態>
第7の実施形態として、電源回路3に直径が約300mmの送信アンテナ1を接続し、電子ディスプレイ装置に埋め込んだ約300mmの直径の受信アンテナ2までの空間を電力を伝送し、その受信アンテナ2に電子ディスプレイ装置の負荷回路4を接続して電子ディスプレイ装置を動作させる誘導電力伝送回路を示す。第7の実施形態では、第3の実施形態の図14(a)の3巻きのコイル状のアンテナの寸法を約6倍の300mmに拡大し、厚さ50μmで幅が10mmの銅の配線を3巻きした送信アンテナ1と受信アンテナ2を対向させてアンテナ間に電力を伝送する。このアンテナ配線は、ポリイミドフィルムに厚さ50μmで積層した銅箔をエッチングすることで形成することができる。この各アンテナのコイルの実効的自己インダクタンスL1とL2は4.9μHである。各アンテナコイルの配線の両端に100pFの容量C1とC2を接続する。この場合は、共振周波数fが7.3MHzになる。送信アンテナ1と受信アンテナ2のアンテナ間隔hをアンテナの寸法D程度の300mm離した場合に、両アンテナの結合係数kが約0.02になり、誘導抵抗r1とr2が約4Ωになる。この整合した回路での電力伝送効率Peは約94%になり電力が効率良く伝送できる。
<Seventh Embodiment>
As a seventh embodiment, a transmitting
この電力伝送効率Peが良い原因は、アンテナの寸法が大きくなって共振周波数fが低くなったため、アンテナ配線の表皮効果による損失が小さくなったからである。このように大きな寸法のアンテナを用いて電子ディスプレイ装置に電力を供給することで、送信アンテナ1と受信アンテナ2のアンテナ間隔hを大きく取っても電力を効率良く電子ディスプレイ装置に伝送できる効果がある。
The reason why the power transmission efficiency Pe is good is that the loss due to the skin effect of the antenna wiring is reduced because the dimensions of the antenna are increased and the resonance frequency f is decreased. By supplying power to the electronic display device using the antenna having such a large size, there is an effect that the power can be efficiently transmitted to the electronic display device even when the antenna interval h between the transmitting
(変形例6)
変形例6として、直径が300mmの大きなアンテナを用いて、電力を動力として利用する車両などに電力を供給する誘導電力伝送システムを示す。すなわち、変形例6では、電力供給設備の電源回路3から電力を、周波数が約7.3MHzの高周波電流にして、幅10mmの銅の配線の3巻きの矩形のコイルで直径Dが300mmの送信アンテナ1に電流を供給し、その送信アンテナ1から300mm程度の距離を隔てて対向する車両の受信アンテナ2に約94%の効率で電力を送信し、その受信アンテナ2から、その電力をその車両の充電池などの負荷回路4に伝送する誘導電力伝送システムを提案する。
(Modification 6)
As a sixth modification, an inductive power transmission system that supplies electric power to a vehicle that uses electric power as power by using a large antenna having a diameter of 300 mm is shown. That is, in the modified example 6, the power from the
<第8の実施形態>
第8の実施形態として、例えば携帯電話などの電子機器に非接触で電力を伝送する回路として、図20(a)の平面図のように、送信アンテナ1と受信アンテナ2を同一平面上に並べて配置して電力を伝送する誘導電力伝送回路を示す。すなわち、縦横47mmの矩形の送信アンテナ1と受信アンテナ2を同一平面上に20mm隔てて並べた構造の誘導電力伝送回路である。このアンテナ間の結合係数kは0.013である。送信アンテナ1と受信アンテナ2を配線するアンテナ面(XY面)は紙面に平行にし、紙面の表側の配線が7巻あり紙面の裏側の配線が7巻あるコイル状にアンテナを形成し、紙面の表側の配線と裏側の配線は、紙面に垂直方向に1mmの間隔をあけて配置する。アンテナの紙面の表側の配線と紙面の裏側の配線とはXY面に投影した配線パターンがY軸に関して左右対称になるように配線する。そして、アンテナの両端は開放し、アンテナの両端間を接続する容量は寄生容量にする。送信アンテナ1の配線の中間に電源回路3の端子のポート1を設置し、受信アンテナ2の配線の中間に負荷回路4の端子のポート2を設置した。このアンテナは、アンテナ端を大きな容量で結んだ場合に実効的自己インダクタンスLを求めると8.9μHであった。ただし、アンテナの実効的インダクタンスLはアンテナ電流の分布に依存して変わり、アンテナ端を開放した場合の実効的インダクタンスLは、アンテナ端に大きな容量を接続した場合の実効的インダクタンスより小さいと考える。このアンテナは周波数f=23.8MHzで共振した。アンテナの自己インダクタンスを8.9μHとして計算すると、アンテナの両端は概ね5pFの寄生容量でつながれている。この寄生容量は、紙面の表側の配線と裏側の配線の、紙面に垂直方向の間隔を大きくすると容量値が小さくなる。
<Eighth Embodiment>
As an eighth embodiment, for example, as a circuit for transmitting power to an electronic device such as a mobile phone in a non-contact manner, the transmitting
図20(a)のアンテナの誘導抵抗rは、r=r1=r2=7Ωであった。このアンテナでは、近似式36で計算する元にする実効的自己インダクタンスLの値は3.6μHであり、アンテナの両端を大きな容量で結んだ場合の8.9μHの約40%であると考える。このように実効的自己インダクタンスが大きく変わる原因は、このアンテナにおいてアンテナ面(XY)に垂直方向で対向する配線間に発生する寄生容量が実効的自己インダクタンスを下げる効果が大きいことに依ると考える。図20(b)に、縦軸に、送信アンテナ1から受信アンテナ2への電力伝送のS21をあらわし、横軸を周波数fにしたグラフを示す。この誘導抵抗rにインピーダンスZを整合させて電力を伝送することでS21は−0.73dBが得られ、約85%の効率で効率良く電力を伝送できた。このように同一平面上に離して置いたアンテナで、アンテナ間の電磁誘導の結合係数kが0.013と小さい場合でも、十分な電力伝送効率が得られた。なお、この電力の伝送効率Peは、式29に、誘導抵抗r1=7Ωを代入して、送信アンテナ1の実効的抵抗ref1および受信アンテナ2の実効的抵抗ref2を、表皮効果を加味して約0.62Ωと見積もって、式29に代入すると、電力伝送効率Pe=0.85が得られた。このように、式29を用いて計算しても、電磁界シミュレーションの結果とほぼ一致する結果が得られた。
The induction resistance r of the antenna of FIG. 20A was r = r1 = r2 = 7Ω. In this antenna, the effective self-inductance L calculated based on the approximate expression 36 is 3.6 μH, which is considered to be about 40% of 8.9 μH when both ends of the antenna are connected with a large capacity. The reason why the effective self-inductance changes greatly in this way is considered to be that the parasitic capacitance generated between the wirings facing the antenna surface (XY) in the vertical direction in this antenna has a large effect of reducing the effective self-inductance. FIG. 20B is a graph in which the vertical axis represents S21 of power transmission from the transmitting
第8の実施形態では、コイル状の送信アンテナ1のアンテナ面(XY面)と同一平面上の周囲に複数の電子機器のコイル状の受信アンテナ2を並べて設置し、一度に多数の電子機器の受信アンテナ2に電力を伝送する電力伝送システムを構成できる。そのように1つの送信アンテナ1に対して複数の受信アンテナ2を設置する場合は、送信アンテナ1に直列に接続する電源回路3の出力インピーダンスZ1に関するZ1/(2πfL1)は、各受信アンテナ2毎の結合係数kの総和に調整して、電源回路3の出力インピーダンスZ1を複数の受信アンテナ2が発生する誘導抵抗r1の総和に等しくさせる。
In the eighth embodiment, coil-shaped
(変形例7)
変形例7として、第8の実施形態のアンテナの紙面の表側の7巻の配線とそれと平行な紙面の裏側の7巻の配線の、紙面に垂直方向の間隔を4倍の4mmにする場合を示す。このモデルを電磁界シミュレーションした結果、40.1MHzで共振した。このアンテナの両端を大きな容量で結んだ場合の実効的自己インダクタンスは8μHになったので、それを用いて計算すると、アンテナの両端を結ぶ寄生容量は2pFになり4割に小さくなった。このアンテナの誘導抵抗は、r=r1=r2=18Ωになり、この誘導抵抗rにインピーダンスZを整合させて電力を伝送するとS21は−0.455dBが得られ、約90%の効率で、より良い効率で電力を伝送できる。このアンテナでは、近似式36で計算する元にする実効的自己インダクタンスLの値は5.5μHであり、アンテナの両端を大きな容量で結んだ場合の8μHの約70%であると考える。更に、アンテナの紙面の表側の7巻の配線とそれと平行な紙面の裏側の7巻の配線の、紙面に垂直方向の間隔を更に大きく8mmにすると、アンテナは51.4MHzで共振し、送信アンテナ1と受信アンテナ2のアンテナ系の誘導抵抗r=r1=r2=34Ωになり、S21は−0.32dBになり約93%の効率で電力を伝送する。
(Modification 7)
As a modified example 7, the case where the distance between the front surface of the antenna of the eighth embodiment and the seven wires on the back side of the paper parallel to it is set to 4 mm, which is four times the vertical direction of the paper. Show. As a result of electromagnetic simulation of this model, it resonated at 40.1 MHz. The effective self-inductance when connecting both ends of the antenna with a large capacitance was 8 μH, and when calculated using this, the parasitic capacitance connecting both ends of the antenna was 2 pF, which was 40% smaller. The induction resistance of this antenna is r = r1 = r2 = 18Ω. When power is transmitted by matching the impedance Z to this induction resistance r, S21 is −0.455 dB, with an efficiency of about 90%. Power can be transmitted with good efficiency. In this antenna, the effective self-inductance L based on the approximate expression 36 is 5.5 μH, which is considered to be about 70% of 8 μH when both ends of the antenna are connected with a large capacity. Further, when the distance between the front surface of the antenna and the 7 turns of the wiring on the back side of the paper and the 7 turns of the wiring on the back side of the paper parallel to it is further increased to 8 mm in the direction perpendicular to the paper, the antenna resonates at 51.4 MHz. Inductive resistance r = r1 = r2 = 34Ω of the antenna system of 1 and the receiving
(変形例8)
変形例8として、第8の実施形態の図20(a)のアンテナを、紙面の片側だけの7巻のアンテナにし、図20(a)と同様に同一平面上に20mm隔てて配置する場合を示す。その送信アンテナ1の配線の中間に電源回路3の端子のポート1を設置し、受信アンテナ2の配線の中間に負荷回路4の端子のポート2を設置して電磁界シミュレーションした。この変形例8のアンテナは、自己インダクタンスLが2.3μHであり、アンテナの両端間の寄生容量Cは0.8pFあり、115MHzで共振した。図20(a)の配置でのアンテナの誘導抵抗は、r=r1=r2=14Ωになり、この誘導抵抗rにインピーダンスZを整合させて電力を伝送するとS21は−0.49dBが得られ、約89%の効率で電力を伝送した。
(Modification 8)
As a
<第9の実施形態>
第9の実施形態の誘導電力伝送回路は、以上で説明した誘導電力伝送回路において、送信アンテナ1あるいは受信アンテナ2に電源回路3あるいは負荷回路4を直接には接続せず、そのアンテナはコイル状の配線の両端に容量C2を結んだのみの構成にし、そのアンテナに誘導結合する誘導結合配線6の両端を負荷回路4に接続した誘導電力伝送回路である。第9の実施形態を、図21により説明する。図21(a)は、第9の実施形態の送信アンテナ1と受信アンテナ2と誘導結合配線6の平面図を示す。図21(a)の平面図は、第9の実施形態を説明するために、第8の実施形態の図20(a)に示した構成の送信アンテナ1と受信アンテナ2をXY平面上に並べて配置し、その受信配線2の螺旋状の配線の中にXY平面に設置した螺旋状の誘導結合配線6を設置する。すなわち、縦横47mmの矩形の送信アンテナ1と受信アンテナ2をXY平面上に20mm隔てて並べ、その受信アンテナ2で囲まれる中に、厚さが5μmで幅が1mmの銅の配線で、径が10mmから15mmのループ状の誘導結合配線6を設置した構造の誘導電力伝送回路である。その誘導結合配線6の両端のポート3を負荷回路4に接続する。誘導結合配線6のループの大きさが縦横10mmの場合、電源回路3から負荷回路4まで最も効率良く電力が伝送するための負荷回路のインピーダンスZ2は4Ωである。一方、誘導結合配線6のループの大きさを縦横15mmに大きくして受信回路2との相互インダクタンスM2を大きくした場合、誘導結合配線6に誘導される誘導インピーダンスに整合する負荷回路のインピーダンスZ2は20Ωに大きくなる。図21(b)に、誘導結合配線6の径が10mmから15mmの場合の、送信アンテナ1から誘導結合配線6への電力伝送効率PeをS21であらわした周波数特性のグラフを示すが、効率良く電力が伝送できた。本実施形態の図21(a)の場合においては、誘導結合配線6の有する自己インダクタンスが受信アンテナ2の誘導抵抗r2=7Ωに比べて小さい。ただし、誘導抵抗r2は第8の実施形態における受信アンテナ2の誘導抵抗r2を指す。そのため、ポート3に接続する負荷回路4の入力インピーダンスZ2は、誘導結合配線6が受信アンテナ2と誘導結合する相互インダクタンスをM2とあらわすと、Z2を(2πf×M2)2/r2にすると電源回路3から負荷回路4まで最も効率良く電力が伝送できる。
<Ninth Embodiment>
In the inductive power transmission circuit of the ninth embodiment, the
なお、受信回路4自体をこの誘導結合配線6として用いた誘導電力伝送回路も構成できる。また、この実施形態の受信アンテナ2と誘導結合配線6と受信回路4の組み合わせを、同様に送信アンテナ1と電源回路3の組み合わせに用いて構成した誘導電力伝送回路も同様に構成できる。
An inductive power transmission circuit using the receiving
<第10の実施形態>
第10の実施形態は、本発明の原理の第1の場合を利用して、空芯コイルを用いる誘導電力伝送回路によるインピーダンス変換回路5を構成する誘導電力伝送回路を示す。すなわち、図2の回路図で、L1×C1=L2×C2=1/ωo2であるアンテナ系において、電力を伝送する交流の角周波数ωをωoにし、任意の正の数αに関して、送信アンテナ1にポート1で直列に接続する電源回路3の出力インピーダンスZ1をr1=ωM・αにすると、受信アンテナに直列なポート2の出力インピーダンスがr2=ωM/αになる。こうして、インピーダンスを変換して電源回路3から負荷回路4に電力を伝送する誘導電力伝送回路を構成できる。すなわち、電源回路3と負荷回路4のインピーダンスは、その積のみを一定にし、両者のインピーダンスの比を任意に変換できるインピーダンス変換回路5を構成できる。
<Tenth Embodiment>
The tenth embodiment shows an inductive power transmission circuit constituting the
第10の実施形態のインピーダンス変換回路5は、電磁界の4分の1波長の伝送線路によるインピーダンス変換回路と同じ機能を有する。4分の1波長の伝送線路によるインピーダンス変換回路は、その伝送線路の配線の長さを4分の1波長にまで長く形成する必要があるが、この第10の実施形態のインピーダンス変換回路5は、送信アンテナ1及び受信アンテナ2それぞれの両端間を結容量Cで結ぶことにより、アンテナの配線長を電磁界の4分の1波長より短くしたインピーダンス変換回路5が得られる効果がある。また、4分の1波長の伝送線路によるインピーダンス変換回路は、伝送線路の特性インピーダンスをZoとすると、任意の正の数αに関して、Zo・αのインピーダンスを、Zo/αのインピーダンスに変換するので、変換するインピーダンスの基礎にする特性インピーダンスZoが固定して調整が難しい問題があるが、第10の実施形態のインピーダンス変換回路5は、送信アンテナ1と受信アンテナ2の間の距離を変えることで相互インダクタンスMを変えることで、変換するインピーダンスの基礎にするインピーダンスωMの値を容易に変えることができる効果がある。
The
第10の実施形態では、送信アンテナ1が所定の強さの電磁界を発生させることで、コイル状の受信アンテナ2に所定の大きさの誘導抵抗r2が発生する。その誘導抵抗r2に等しい入力インピーダンスの負荷回路4を接続することで、受信アンテナ2に効率良く電力を受信させることができる。その受信アンテナ2に誘起される電圧は、送信アンテナ1が受信アンテナ2の位置に発生する磁界の強度に比例し、その磁界の強度が弱くなると、受信アンテナ2に誘起される誘導起電力(電圧)が小さくなる。その際に、受信アンテナ2の負荷回路4の入力インピーダンスを小さくすると受信アンテナ2のアンテナ電流I2が大きくなり、受信アンテナ2の電流I2が大きい程大きな電力を受信し、受信アンテナ2の導体損失が小さければ、送信アンテナ1が供給する電力を100%受信するに至る所定の電流値まで受信アンテナ2の電流I2が大きくなる。受信アンテナ2の電流I2がその所定電流値を越えると、その受信アンテナ2の電流I2が送信アンテナ1に誘起する誘導抵抗r1が大きくなり、送信アンテナ1により大きな電力を供給させようとする。こうして、送信アンテナ1に接続した電源回路3の供給する電力が100%近い効率で受信回路2に接続した負荷回路に伝送できる。
In the tenth embodiment, when the transmitting
なお、第10の実施形態でも、送信アンテナ1と受信アンテナ2の結合係数kは0.004以上に限定されず、結合係数kがそれより小さい場合も、送信アンテナ1側で送信アンテナ1の共振周波数fを受信アンテナ2の共振周波数に同調させることで、効率良く電力を伝送する誘導電力伝送回路を構成できる。特に、電力伝送効率を良くするために、式29の電力伝送効率Peにおいて、受信アンテナ2の誘導抵抗r2を受信アンテナ2の配線の実効的抵抗r4より大きくし、一方、送信アンテナ1の誘導抵抗r1は例えば送信アンテナ1の配線を超伝導体で形成するなどしてその配線の実効的抵抗r3を小さくし、その送信アンテナ1に流す電流I1を受信アンテナの流す電流I2より大きくすることで、式29で計算する電力伝送効率Peを高くした誘導電力伝送回路も構成できる。
Also in the tenth embodiment, the coupling coefficient k between the
(変形例9)
変形例9として、第10の実施形態の誘導電力伝送回路を、第9の実施形態の図21(a)に示すように、負荷回路4と受信アンテナ2の回路を、受信アンテナ2に誘導結合配線6が相互インダクタンスM2で誘導結合し、誘導結合配線6の両端に負荷回路4を接続した回路に代える。変形例9では、この構成で、電源回路3の出力インピーダンスZ1を、その負荷回路4側での誘導抵抗値(M2/M)2×Z1に変換し、その誘導抵抗値に負荷回路4の入力インピーダンスZ2を等しくすると最も効率良く電力を伝送できる。また、更に、実効的インダクタンスL2を持つ受信アンテナ2自身をその誘導結合配線6にし、その受信アンテナ2のアンテナ配線の両端の容量C2に並列に負荷回路4を接続する構成にもできる。その場合は、電源回路3の出力インピーダンスZ1を、その負荷回路4側での誘導抵抗値(L2/M)2×Z1に変換し、その誘導抵抗値に負荷回路4の入力インピーダンスZ2を等しくすると最も効率良く電力を伝送できる。
(Modification 9)
As a modification 9, the inductive power transmission circuit of the tenth embodiment is inductively coupled to the
(変形例10)
変形例10として、変形例9の誘導電力伝送回路における、図21(a)の送信アンテナ1と電源回路3の組み合わせを、受信アンテナ2と負荷回路4の組み合わせに入れ替えた回路構成の誘導電力伝送回路を示す。変形例10では、電源回路3と送信アンテナ1の回路を、送信アンテナ1に誘導結合配線6が相互インダクタンスM1で誘導結合し、誘導結合配線6の両端に電源回路3を接続した回路に代えることができる。その場合は、その電源回路3の出力インピーダンスZ3を、負荷回路4側での誘導抵抗値(M/M1)2×Z3に変換し、その誘導抵抗値に負荷回路4の入力インピーダンスZ2を等しくすると最も効率良く電力を伝送できる。また、更に、実効的インダクタンスL1を持つ送信アンテナ1自身をその誘導結合配線6にし、その送信アンテナ1のアンテナ配線の両端の容量C1に並列に電源回路3を接続する構成にもできる。その場合は、その電源回路3の出力インピーダンスZ3を、負荷回路4側での誘導抵抗値(M/L1)2×Z3に変換し、その誘導抵抗値に負荷回路4の入力インピーダンスZ2を等しくすると最も効率良く電力を伝送できる。
(Modification 10)
As a tenth modification, inductive power transmission having a circuit configuration in which the combination of the
<第11の実施形態>
第11の実施形態は、送信アンテナ1と受信アンテナ2の間の距離が変動してインピーダンスが変動する場合に、第10の実施形態のインピーダンス変換回路5を用いてインピーダンスの変動を補正する誘導電力伝送回路を示す。図22(b)に第11の実施形態の誘導電力伝送回路の平面図を示す。図22(b)では、送信アンテナ1のコイルのインダクタンスL1と受信アンテナ2のコイルのインダクタンスL2が同じインダクタンスL=L1=L2の場合を示すが、両者のインピーダンスが異なる場合にも本実施形態に思想を適用できる。先ず、図22(a)には、インピーダンス変換回路5を用いない場合の誘導電力伝送回路の送信アンテナ1と受信アンテナ2の平面図を示す。図22(a)のように送信アンテナ1と受信アンテナ2が結合係数kの値koで電磁結合する場合に相互インダクタンスMが値Moを持つものとする。その場合に、両アンテナを共振角周波数ω=ωo=1/√(L1・C1)で共鳴させると、式30と式31により、電源回路3の出力インピーダンスZ1と負荷回路4の入力インピーダンスZ2をωMoにして整合させて完全な効率で電力を伝送させることができる。
<Eleventh embodiment>
In the eleventh embodiment, when the distance between the transmitting
次に、図22(b)の回路を説明する。図22(b)では、送信アンテナ1と受信アンテナ2の間の距離が変動し両アンテナの結合係数kが変動する誘導電力伝送回路の場合であり、その回路の電源回路3と送信アンテナ1の間に第10の実施形態のインピーダンス変換回路5を挿入することでその変動を補正する。すなわち、出力インピーダンスがZ1=ωoMoに固定されている電源回路3に直列に、インピーダンス変換回路5の送信アンテナの中間の入力端子を接続し、インピーダンス変換回路5の受信アンテナの中間の出力端子を送信アンテナ1の配線の中間の入力端子(ポート1)に接続する。このインピーダンス変換回路5は、その送信アンテナと受信アンテナが対向する距離を自由に変えるかあるいは両アンテナのコイルの軸を自由にずらすことで、両アンテナ間の相互インダクタンスを自由に調整できるように構成する。
Next, the circuit of FIG. 22B will be described. FIG. 22B shows a case of an inductive power transmission circuit in which the distance between the
この回路で、送信アンテナ1と受信アンテナ2配置が変化し、アンテナ間の距離が遠くなると、送信アンテナ1と受信アンテナ2の結合係数kが小さくなり相互インダクタンスMが小さくなる。その相互インダクタンスMがMo/αに小さくなったものとする。ここで、αは1より大きい実数とする。この場合に受信アンテナ2に接続する負荷回路4の入力インピーダンスZ2がωMoに固定されているので、その受信アンテナ2側のインピーダンスが送信アンテナ1側では、Z3=ωMo/α2に変換されてしまう。そのため、インピーダンス変換回路5は、ωMoに固定されている電源回路3の出力インピーダンスZ1を送信アンテナ側のインピーダンスZ3=ωMo/α2に変換する必要がある。これを実現するため、インピーダンス変換回路5は、その送信アンテナと受信アンテナの対向する距離を変えて結合係数kを変えて相互インダクタンスをωoMo/αに変える。これにより目的のインピーダンス変換が行なえ、電源回路3から負荷回路4までの回路のインピーダンスを整合させることができる。
In this circuit, when the arrangement of the
このように、送信アンテナ1のコイルと受信アンテナ2のコイルの位置がずれることによる相互インダクタンスの変動を、インピーダンス変換回路5が補正することで、固定した出力インピーダンスZ1の電源回路3から固定した入力インピーダンスZ2の負荷回路4までのインピーダンスを整合させて完全な効率で電力を伝送できる効果がある。また、このように、送信アンテナ1と受信アンテナ2の相互インダクタンスMが変化しても、その変化によるインピーダンスの変動を、インピーダンス変換回路5が、共鳴の角周波数ωを一定の角周波数ωoに保ったままで、アンテナ間の距離という1つのパラメータを調整するだけで相互インダクタンスを可変にして、適正な値にインピーダンスを変換して回路のインピーダンスを整合させることができる。本実施形態では、共鳴の周波数が変わらないので誘導電力伝送回路の構成が簡単になる効果があり、また、1つのパラメータを調整するだけで変換すべきインピーダンスを変えられるので調整が容易である効果がある。
As described above, the
<第12の実施形態>
第12の実施形態の誘導電力伝送回路は、図23(a)のように、XY平面上に置いた縦横の直径G=300mmの1巻きの幅1mmの銅の螺旋状のアンテナ配線の送信アンテナ1と、送信アンテナ1の真中の同じXY平面上に、送信アンテナ1の直径Gの約6分の1の直径Dの受信アンテナ2を置いた誘導電力伝送回路である。この受信アンテナ2は、第8の実施形態の図20(a)の2つの7巻きコイルをポート2の両端に接続してXY面に垂直方向に1mm離して対向させた直径D=47mmの受信アンテナ2である。この送信アンテナ1の両端は容量C1が116pFのコンデンサ(キャパシタンス素子)で接続し、受信アンテナ2の両端の容量C2は、浮遊容量5.2pFに加えて15.6pFのコンデンサ(キャパシタンス素子)を接続した。この送信アンテナ1の自己インダクタンスL1は1.5μHであり、受信アンテナ2の実効的自己インダクタンスL2は8.9μHである。
<Twelfth Embodiment>
As shown in FIG. 23A, the inductive power transmission circuit according to the twelfth embodiment is a transmission antenna having a copper spiral antenna wiring of 1 mm in width and 1 mm in width and having a diameter G of 300 mm placed on the XY plane. 1 and an inductive power transmission circuit in which a receiving
この誘導電力伝送回路の送信アンテナ1と受信アンテナ2は、本発明の原理の第1の場合を利用して、共振角周波数ωをωoにしてアンテナ系を共鳴させ、12MHzで共振させた。この送信アンテナ1には3.3Ωの誘導抵抗r1が発生し電源回路3の出力インピーダンスに整合し、受信アンテナ2には4.3Ωの誘導抵抗r2が発生し負荷回路4の入力インピーダンスに整合して電力を伝送した。ただし、この誘導抵抗r1とr2は、式33と式34に従って、送信アンテナ1の共振電流I1と受信アンテナ2の共振電流I2の比によって変わり、r1とr2の積の値が同じ他の値のr1とr2の組み合わせになり得る。この送信アンテナ1と受信アンテナ2の結合係数kは、シミュレーションで得られた誘導抵抗から計算すると、結合係数k=√(r1・r2/(L1・L2))/(2πf)=0.014である。
Using the first case of the principle of the present invention, the transmitting
図23(b)に、送信アンテナ1から受信アンテナ2への電力伝送効率PeをS21であらわした周波数特性のグラフを示す。12MHzの共振周波数fでS21は−1.33dB、すなわち、電力伝送効率Peが約74%の効率良い電力伝送ができる。このように送信アンテナ1と、その直径Gの6分の1の直径の受信アンテナ2の組み合わせでも良い効率で電力を伝送できる誘導電力伝送回路が得られた。この送信アンテナ1と受信アンテナ2の結合係数kを0.004以上にすれば、第1の実施形態で説明したように、この誘導電力伝送回路の回路の部品に特性のバラツキが少々あっても両アンテナの共振周波数のずれは電力を伝送するのに支障が無い程度の範囲内に収めることができる効果が得られる。受信アンテナ2の直径Dが送信アンテナ1の直径Gの12分の1程度になると、両アンテナの結合係数kが0.004程度になると考えられるため、両アンテナの直径の違いを12倍以内にすることで支障無く電力を伝送できる効果がある。なお、受信アンテナ2のコイルの位置が送信アンテナ1のコイルの位置からずれる距離が、大きい方のアンテナの直径の2倍以内のずれ距離ならば、第1の実施形態の変形例2及び変形例4の場合のように、電力を伝送するのに支障が無い実用的効果が得られる。
FIG. 23B shows a graph of frequency characteristics in which the power transmission efficiency Pe from the transmitting
<第13の実施形態>
第13の実施形態の誘導電力伝送回路は、送信アンテナ1と電源回路3の組み合わせ、あるいは、受信アンテナ2と電源回路4の組み合わせを空間の電磁波を受け取りあるいは放射するアンテナに置き換えた誘導電力伝送システムである。すなわち、図24(a)のように、送信アンテナ1を、XY平面上に横(X方向)に置いた長さ940mmで幅1mmの銅のアンテナ配線で形成したダイポールアンテナにし、全体系では、空間の電磁波を受け取って電力に変換するアンテナにすることで、ダイポールアンテナが空間電磁波を受け取り回路に電力に供給する作用を電源回路3とした誘導電力伝送回路である。図24(a)の受信アンテナ2は、ポリイミドフィルム上に形成した直径D=54mmのコイル状の銅のアンテナ配線にし、その受信アンテナ2の端を送信アンテナ1からY方向に1mm隔て、受信アンテナ2と送信アンテナ1をXY面に垂直方向にアンテナ間隔hを10mm離して設置する。この受信アンテナ2は、第3の実施形態の図14の、両端を開放した3巻きコイルであり、その中間にポート2を設置し、コイルの両端には外付けコンデンサは接続しない。この誘導電力伝送回路の送信アンテナ1と受信アンテナ2は、アンテナ電流I1とアンテナ電流I2の位相差βを90度にし、cos(β)を0にし、共振角周波数ωをωoにして、先の式33から式35の状態でアンテナ系を共鳴させ、154MHzで共振させる。この送信アンテナ1と受信アンテナ2には30Ωの誘導抵抗r1とr2が発生し電源回路3の出力インピーダンスと負荷回路4の入力インピーダンスに整合して電力を伝送する。ただし、この誘導抵抗r1とr2は、式33と式34に従って、送信アンテナ1の共振電流I1と受信アンテナ2の共振電流I2の比によって変わり、r1とr2の積の値が同じ他の値のr1とr2の組み合わせになり得る。
<13th Embodiment>
The induction power transmission circuit according to the thirteenth embodiment is an induction power transmission system in which the combination of the
図24(b)に、送信アンテナ1から受信アンテナ2への電力伝送効率PeをS21であらわした周波数特性のグラフを示す。154MHzの共振周波数fでS21が−1.21dBで電力伝送効率Peが約76%の効率良い電力伝送ができる。このようにダイポール型の送信アンテナ1と、コイル状の受信アンテナ2の組み合わせでも良い効率で電力を伝送できる誘導電力伝送回路が得られる。ここで、受信アンテナ2のアンテナ配線の抵抗r4は変えずに、ダイポールアンテナの送信アンテナ1のアンテナ配線の幅を9倍の10mm程度に広くすることでアンテナ配線の抵抗r3を9分の1にする。そして、第1のアンテナの電流I1を第2のアンテナの電流I2の3倍にすると、式33と式34のαが3分の1になるのでr1が3分の1になり、r2が3倍になる。そのとき、式29に従って、電力伝送効率Peが高くなり、電力の損失率(1−Pe)がほぼ3分の1に低減できる。また、本実施形態において、受信アンテナ2と送信アンテナ1をXY面に垂直方向に離すアンテナ間隔hを5分の1の2mmに近づけると、誘導抵抗r1=r2=40Ωにおいて、S21がー0.63dBで電力伝送効率Peが約86%の効率良い電力伝送ができる。本実施形態の誘導電力伝送回路では、電源回路3と送信アンテナ1の組み合わせは空間電磁波を受け取って回路に電力を供給するダイポールアンテナであるが、先の実施例と同様に効率良く電力が伝送できた。
FIG. 24B shows a graph of frequency characteristics in which the power transmission efficiency Pe from the
また、本実施形態の送信アンテナ1と電源回路3の組み合わせと受信アンテナ2と負荷回路4の組み合わせを入れ替えた構成の誘導電力伝送回路も構成できる。すなわち、その誘導電力伝送回路において、受信アンテナ2と負荷回路4の組み合わせをダイポールアンテナにし、そのダイポールアンテナを全体系では空間に電磁波を放射するアンテナとして用い、そのアンテナからの電磁波の放射による電力の消費を負荷回路4とする誘導電力伝送回路を構成することもできる。
In addition, an induction power transmission circuit having a configuration in which the combination of the
また、本実施形態は、その寸法を一桁小さくしたアンテナ系を、ポリイミド等のフレキシブル基材上に金属パターンで形成することで実施することもできる。そのダイポールアンテナあるいは、そのダイポールアンテナを螺旋状に巻いたRF受信アンテナを送信アンテナ1及び電源回路3の系として設置し、その送信アンテナ1の近くに設置した縦横6mmの有機樹脂基板あるいはセラミックス基板に金属の配線パターンで、両端を開放した直径約5mmの3巻きの螺旋状(コイル状)の受信アンテナ1を形成する。その受信アンテナ1のアンテナ配線の中間のポート2に直列にICチップの受信回路4を接続することで誘導電力伝送回路を構成できる。アンテナの寸法が一桁小さくなることで共振周波数は一桁大きくなり1.5GHz近くになるが誘導抵抗rの大きさはほぼ同じ値になる。ここで、アンテナの巻き数を増すか、または、アンテナの両端間に大きな容量の外付けコンデンサを接続することで、その共振周波数を小さくすることもできる。
Moreover, this embodiment can also be implemented by forming an antenna system whose dimensions are reduced by one digit on a flexible substrate such as polyimide with a metal pattern. The dipole antenna or an RF receiving antenna in which the dipole antenna is spirally wound is installed as a system of the transmitting
本発明の誘導電力伝送回路は、車両などに電力供給設備から非接触で電力を供給する用途に適用できる。また、ディスプレイ装置等に、家屋の壁を隔てて誘導エネルギーを供給する用途に適用できる。また、生体への非侵襲なシステム構成で、生体内に埋め込んだ電子装置にエネルギーを供給する用途に適用できる。また、半導体集積回路内で集積回路の配線層間で電力を非接触で伝送する用途に適用できる。また、空間の電磁波を受け取るアンテナを電源と送信アンテナの組み合わせとし、あるいは空間に電磁波を放射するアンテナを受信アンテナと負荷回路の組み合わせとし、アンテナと電子機器の間に空間を介して電力を伝送する用途に適用できる。 The inductive power transmission circuit of the present invention can be applied to an application for supplying power to a vehicle or the like from a power supply facility in a contactless manner. Further, the present invention can be applied to an application in which induction energy is supplied to a display device or the like across a wall of a house. Further, it can be applied to an application for supplying energy to an electronic device embedded in a living body with a non-invasive system configuration for the living body. Further, the present invention can be applied to a use in which power is transmitted in a non-contact manner between wiring layers of an integrated circuit within a semiconductor integrated circuit. In addition, the antenna that receives electromagnetic waves in the space is a combination of a power supply and a transmitting antenna, or the antenna that radiates electromagnetic waves in the space is a combination of a receiving antenna and a load circuit, and power is transmitted between the antenna and the electronic device via the space. Applicable to usage.
1・・・送信アンテナ
2・・・受信アンテナ
3・・・電源回路
4・・・負荷回路
5・・・インピーダンス変換回路
6・・・誘導結合配線
C1、C2・・・容量
d・・・ずれ距離
D・・・送信アンテナ径
G・・・受信アンテナ径
h・・・アンテナ間隔
I1、I2・・・アンテナ電流
L1、L2・・・実効的自己インダクタンス
r、r1、r2・・・誘導抵抗
Z1、Z2・・・インピーダンス
DESCRIPTION OF
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008229171A JP2010063324A (en) | 2008-09-07 | 2008-09-07 | Induced power transmission circuit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008229171A JP2010063324A (en) | 2008-09-07 | 2008-09-07 | Induced power transmission circuit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010063324A true JP2010063324A (en) | 2010-03-18 |
Family
ID=42189508
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008229171A Pending JP2010063324A (en) | 2008-09-07 | 2008-09-07 | Induced power transmission circuit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010063324A (en) |
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011138860A1 (en) * | 2010-05-03 | 2011-11-10 | パナソニック株式会社 | Power generating apparatus, power generating system, and wireless power transmitting apparatus |
WO2012001956A1 (en) * | 2010-06-30 | 2012-01-05 | パナソニック株式会社 | Electric power generator and electric power generating system |
JP2012023931A (en) * | 2010-07-16 | 2012-02-02 | Equos Research Co Ltd | Resonance coil |
JP2012023929A (en) * | 2010-07-16 | 2012-02-02 | Equos Research Co Ltd | Resonance coil |
JP2012110199A (en) * | 2010-10-27 | 2012-06-07 | Equos Research Co Ltd | Electric power transmission system |
KR101174400B1 (en) * | 2010-11-08 | 2012-08-17 | 한국전기연구원 | Space-adaptive self-resonator for wireless power transfer based on resonance |
JP2013089860A (en) * | 2011-10-20 | 2013-05-13 | Toyota Motor Corp | Power receiving device, power transmitting device, and power transmission system |
WO2014034844A1 (en) * | 2012-08-31 | 2014-03-06 | 株式会社エクォス・リサーチ | Power transmission system |
WO2014050430A1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | 株式会社エクォス・リサーチ | Power transmission system |
JP2015050888A (en) * | 2013-09-04 | 2015-03-16 | 株式会社イージーメジャー | Non-contact power supply device |
JP2015122533A (en) * | 2010-04-07 | 2015-07-02 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Wireless power transmission system |
US9799445B2 (en) | 2011-10-18 | 2017-10-24 | Lg Innotek Co., Ltd. | Electronic device and wireless power receiver equipped in the same |
US10418858B2 (en) | 2015-08-28 | 2019-09-17 | Ihi Corporation | Wireless power supply system and power receiver |
-
2008
- 2008-09-07 JP JP2008229171A patent/JP2010063324A/en active Pending
Cited By (28)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015122532A (en) * | 2010-04-07 | 2015-07-02 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Wireless power transmission system |
JP2015122533A (en) * | 2010-04-07 | 2015-07-02 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Wireless power transmission system |
US8829728B2 (en) | 2010-05-03 | 2014-09-09 | Panasonic Corporation | Power generating apparatus, power generating system, and wireless electric power transmission apparatus with impedance matching |
JP5838324B2 (en) * | 2010-05-03 | 2016-01-06 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Power generation device, power generation system, and wireless power transmission device |
WO2011138860A1 (en) * | 2010-05-03 | 2011-11-10 | パナソニック株式会社 | Power generating apparatus, power generating system, and wireless power transmitting apparatus |
US8952573B2 (en) | 2010-06-30 | 2015-02-10 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Power generator and power generation system |
CN102474137B (en) * | 2010-06-30 | 2015-04-15 | 松下电器产业株式会社 | Electric power generator and electric power generating system |
JP4971527B2 (en) * | 2010-06-30 | 2012-07-11 | パナソニック株式会社 | Power generation device and power generation system |
WO2012001956A1 (en) * | 2010-06-30 | 2012-01-05 | パナソニック株式会社 | Electric power generator and electric power generating system |
CN102474137A (en) * | 2010-06-30 | 2012-05-23 | 松下电器产业株式会社 | Electric power generator and electric power generating system |
JP2012023931A (en) * | 2010-07-16 | 2012-02-02 | Equos Research Co Ltd | Resonance coil |
JP2012023929A (en) * | 2010-07-16 | 2012-02-02 | Equos Research Co Ltd | Resonance coil |
JP2012110199A (en) * | 2010-10-27 | 2012-06-07 | Equos Research Co Ltd | Electric power transmission system |
KR101174400B1 (en) * | 2010-11-08 | 2012-08-17 | 한국전기연구원 | Space-adaptive self-resonator for wireless power transfer based on resonance |
KR101875942B1 (en) * | 2011-10-18 | 2018-07-06 | 엘지이노텍 주식회사 | Apparatus for receving wireless power and system for transmitting wireless power |
US9799445B2 (en) | 2011-10-18 | 2017-10-24 | Lg Innotek Co., Ltd. | Electronic device and wireless power receiver equipped in the same |
JP2013089860A (en) * | 2011-10-20 | 2013-05-13 | Toyota Motor Corp | Power receiving device, power transmitting device, and power transmission system |
JP2014064442A (en) * | 2012-08-31 | 2014-04-10 | Equos Research Co Ltd | Power transmission system |
CN104541435A (en) * | 2012-08-31 | 2015-04-22 | 株式会社爱考斯研究 | Power transmission system |
CN104541435B (en) * | 2012-08-31 | 2017-05-24 | 株式会社爱考斯研究 | Power transmission system |
US9866067B2 (en) | 2012-08-31 | 2018-01-09 | Equos Research Co., Ltd. | Electric power transmission system with power transmission and receiving antennas |
WO2014034844A1 (en) * | 2012-08-31 | 2014-03-06 | 株式会社エクォス・リサーチ | Power transmission system |
CN104521101A (en) * | 2012-09-28 | 2015-04-15 | 株式会社爱考斯研究 | Power transmission system |
JP2014073016A (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-21 | Equos Research Co Ltd | Power transmission system |
WO2014050430A1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | 株式会社エクォス・リサーチ | Power transmission system |
US9866068B2 (en) | 2012-09-28 | 2018-01-09 | Equos Research Co., Ltd. | Electric power transmission system with power transmission and receiving antennas |
JP2015050888A (en) * | 2013-09-04 | 2015-03-16 | 株式会社イージーメジャー | Non-contact power supply device |
US10418858B2 (en) | 2015-08-28 | 2019-09-17 | Ihi Corporation | Wireless power supply system and power receiver |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5054113B2 (en) | Inductive power transmission circuit | |
JP2010063324A (en) | Induced power transmission circuit | |
US10158256B2 (en) | Contactless connector system tolerant of position displacement between transmitter coil and receiver coil and having high transmission efficiency | |
JP2009278837A (en) | Induced-power transmission system | |
US8860545B2 (en) | System using multi-layer wire structure for high efficiency wireless communication | |
US9444213B2 (en) | Method for manufacture of multi-layer wire structure for high efficiency wireless communication | |
US9306358B2 (en) | Method for manufacture of multi-layer wire structure for high efficiency wireless communication | |
US9439287B2 (en) | Multi-layer wire structure for high efficiency wireless communication | |
CN110137676B (en) | Multilayer lead structure for efficient wireless communication | |
US20130068499A1 (en) | Method for Operation of Multi-Layer Wire Structure for High Efficiency Wireless Communication | |
US20140339910A1 (en) | Device to device signaling in wireless energy transfer systems | |
US20130328410A1 (en) | Multi-Band and Broadband Wireless Power Transfer through Embedded Geometric Configurations | |
KR20140111794A (en) | Multi-layer wire structure for high efficiency wireless communication | |
US20110266884A1 (en) | Electric power transmission apparatus and noncontact electric power transmission system | |
US11916400B2 (en) | Multi-layer-multi-turn structure for high efficiency wireless communication | |
US8770489B2 (en) | Radio communication device | |
US10978791B2 (en) | Combination antenna | |
JP2013102593A (en) | Magnetic coupling unit and magnetic coupling system | |
JP5354874B2 (en) | Inductive power supply system | |
JP2012135066A (en) | Inductive power transmission system | |
JP2016076645A (en) | Planar coil | |
JP2016004990A (en) | Resonator | |
JP6044865B2 (en) | Inductive power transmission system | |
JP6567329B2 (en) | Resonator | |
KR102199329B1 (en) | Multi-layer wire structure for high efficiency wireless communication |