JP2011135717A

JP2011135717A - ワイヤレス電力伝送システム

Info

Publication number: JP2011135717A
Application number: JP2009293966A
Authority: JP
Inventors: Kenshin Mori; 建新盛
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2011-07-07

Abstract

【課題】磁気共鳴ワイヤレス電力伝送システムは、送信器と受信器の共振器の共振周波数が一致するように調整しておいても、温度や振動などの環境要因、形状や材質の経時変化、使用時に物体が接近したり離れたりすると線間容量は変動するので、共振周波数が変動し、電力伝送効率が低下するという問題があった。
【解決手段】本発明のワイヤレス電力伝送システムは、第１の共振器を具えた送電部と、前記第１の共振器と共鳴する第２の共振器を具えた受電部とが、第１の共振器と第２の共振器の共鳴を利用して電力伝送を行う磁気共鳴ワイヤレス電力伝送システムにおいて、前記第１の共振器と第２の共振器はコイルを具え、
前記第１の共振器と第２の共振器のうち両方またはいずれか一方のコイルの近傍に、圧電アクチェータを具え、
前記圧電アクチェータによりコイルの線間容量を変えて、前記共振器の共振周波数を制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気共鳴方式を利用したワイヤレス電力伝送システムに係る。

電磁誘導方式のワイヤレス電力伝送が、すでに電子機器などに実用化されている。しかし、電磁誘導方式のワイヤレス電力伝送は電力伝送可能な距離が短いことや、装置間の正確な位置合わせが必要であるなどの制約がある。
これに対して、磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送の原理が２００７年にマサチューセッツ工科大学から報告され（特許文献１）、その後、実用化に向けた研究開発が盛んに進められている。

磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送は、距離が離れても効率的に電力伝送でき、複数の機器が同時に受電可能で、装置間の位置合わせが不要で、障害物や金属などの異物による影響に強いなど、電磁誘導方式のワイヤレス電力伝送と比べて優れたメリットを持っている。

図９は、磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムの概念図を示す。送電部１１は、送電ループ２１と共振器３１と交流電源９１とからなり、受電部１２は、共振器３２と受電ループ２２と負荷９２とからなる。送電ループ２１に数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚの交流電源９１が接続され、受電ループに負荷９２が接続されている。
共振器３１はコイル４５からなり、共振器３２はコイル４６からなる。コイル４５とコイル４６の両端末は開放されていて、共振器３１と共振器３２には、一見、共振器に必要なコンデンサがないが、コイルには導線中の線間容量（浮遊容量）が存在するので、共振器３１と共振器３２はそれぞれＬＣ共振器を構成する。

図９に示すように、交流電源９１から送電ループ２１に交流電圧が供給されると、送電ループ２１から共振器３１に電磁誘導によって電力が伝送される。そして、共振器３１と共振器３２との磁気共鳴によって、共振器３２に電力が伝送される。さらに、共振器３２から受電ループ２２に電磁誘導によって電力が伝送され、負荷９２に電力が供給される。
共振器３１と共振器３２は全く同じ物でも良いが、共振周波数ｆ_０が等しければ構造や寸法が異なってもよい。例えば、コイル４５のインダクタンスをＬ_１、線間容量をＣ_１、コイル４６のインダクタンスをＬ_２、線間容量をＣ_２とすると、共振周波数ｆ_０は、
ｆ_０＝１／２π√（Ｌ_１Ｃ_１）＝１／２π√（Ｌ_２Ｃ_２）を満足するときに、最大の電力伝送効率が得られる。

米国特許出願公開２００８／０２７８２６４米国特許出願公開２００９／００７９２６８

磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、共振周波数が僅かにずれるだけで電力伝送効率が急激に低下してしまう問題がある。高い電力伝送効率を得るためには、送電側の共振器の共振周波数と受電側の共振器の共振周波数を、高い精度で一致させなければならない。
１０ＭＨｚ程度の高い共振周波数を得るためには、コイルの線間容量を数ｐＦ程度になるように設計しなければならないが、線間容量を正確に設計することは困難であり、共振器の間の共振周波数を無調整で合わせることは難しい。特に、複数の受信器が同時に受電する場合は共振する共振器の数が増えるので、共振器間の共振周波数が微妙に変化し調整がさらに難しくなる。

共振周波数を調整する一般的な方法として、共振器のコイルの両端末に可変容量コンデンサを接続し、共振周波数が等しくなるように可変容量コンデンサを調整して共振周波数を同調する方法がある（特許文献２）。

しかし、磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、送電部と受電部の共振器の共振周波数が一致するように調整しておいても、温度や振動などの環境要因、形状や材質の経時変化、使用時に物体が接近したり離れたりすることにより、線間容量が微妙に変動して共振周波数が変動し、電力伝送効率が低下するという問題があった。

本発明は上述のような問題を解決するためになされたもので、常に共振周波数を制御し、高い電力伝送効率が得られるワイヤレス電力伝送システムを提供するものである。

本発明のワイヤレス電力伝送システムは、第１の共振器を具えた送電部と、前記第１の共振器と共鳴する第２の共振器を具えた受電部とが、第１の共振器と第２の共振器の共鳴を利用して電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムにおいて、前記第１の共振器と第２の共振器はコイルを具え、
前記第１の共振器と第２の共振器のうち両方またはいずれか一方のコイルの近傍に、圧電アクチェータを具え、
前記圧電アクチェータによりコイルの線間容量を変えて、前記共振器の共振周波数を制御することを特徴とする。

本発明によれば、磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムにおいて、共振器の近傍に圧電アクチェータを設置し、圧電アクチェータに印加する電圧を制御し、容量成分を変化させることにより、常に共振周波数を制御し、高い電力伝送効率を得ることができる。

本発明で用いる共振器の実施例１を示す斜視図である。圧電バイモルフの基本構造を示す斜視図である。実施例１の変形実施例を示す斜視図である。本発明で用いる共振器の実施例２を示す斜視図である。本発明で用いる共振器の実施例３を示す斜視図である。図５の断面図である。本発明で用いる共振器の実施例４を示す斜視図である。本発明で用いる共振器の実施例５を示す斜視図である。磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送の概念図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１は、本発明のワイヤレス電力伝送システムに用いる共振器の第１の実施例を示す斜視図である。
図１に示すように、ソレノイドコイル４の外周近傍に、圧電アクチェータの一例である圧電バイモルフ５が配置されている。圧電バイモルフ５の先端部はソレノイドコイル４の巻き軸に平行で、圧電バイモルフ５とソレノイドコイル４の距離はｄ１離れている。ここで図示していないが、ソレノイドコイル４は絶縁支持体の枠などで固定されていてもよい。

図２は圧電バイモルフ５の基本構造を示す斜視図である。図２に示すように、圧電バイモルフ５は、金属板５ａの両面に厚み方向に分極された短柵状の圧電素子５ｂと５ｃが貼りつけられ、圧電素子５ｂと５ｃの表面には電極が形成されている。例えば、金属板５ａにはりん青銅などが用いられる。
金属板５ａ、圧電素子５ｂ，５ｃの端部は固定部材５ｄで挟むように固定され、金属板５ａと圧電素子５ｂと５ｃの表面に形成された電極の間に電圧を印加すると、圧電バイモルフが厚み方向に湾曲し、圧電バイモルフ５の先端部ａの位置が移動する。圧電バイモルフ５の先端部ａとソレノイドコイル４の距離ｄ１が変化すると、ソレノイドコイル４の線間容量（浮遊容量）が変化する。この線間容量を変化させて共振周波数を電気的に制御する。

例えば、圧電バイモルフ５への印加する電圧を変化させることにより、圧電バイモルフ５の先端部ａがソレノイドコイル４に向かって近づいたり遠ざかったりする。ソレノイドコイル４と圧電バイモルフ５の距離ｄ１が変化するとソレノイドコイル４の線間容量が増減し、共振周波数が変化する。
このように、圧電バイモルフの先端部を変化させ、その結果、共振器の共振周波数を電気的に制御することができる。

周波数の変化を大きくするためには、圧電バイモルフ５の先端部の面積を増やしてもよい。例えば、図３に示すように、圧電バイモルフ５の金属板５ａの先端部に板状の金属板５ｅを貼り付けてもよい。さらに、金属板の替わりに誘電材料を用いてもよい。また、圧電バイモルフの替わりに、金属板のいずれか一方の面に圧電素子が貼りつけられて電極が形成された圧電ユニモルフを用いてもよい。

（実施例２）
図４は、本発明のワイヤレス電力伝送システムに用いる共振器の第２の実施例で、第１の実施例で示したソレノイドコイルの替わりに平面コイルを用いた斜視図である。
図４に示すように、平面コイル４１の近傍に圧電バイモルフ５配置し、その距離をｄ２とする。このように、共振器に用いるコイルはソレノイドコイルに限らず平面コイル、プリントコイル、スパイラルコイル等を用いてもよい。

（実施例３）
図５は、本発明のワイヤレス電力伝送システムに用いる共振器の第３の実施例で、圧電バイモルフの替わりに圧電ダイヤフラムを用いた斜視図である。図６は図５の断面図を示す。
図５、図６に示すように、平面コイル４２の一方の面に圧電ダイヤフラム５２を配置し、平面コイルと圧電ダイヤフラムの間に中心に孔７２ａを備えたスペーサ７２配置したものである。スペーサ７２の厚みｄ３は第１、第２の実施例で説明した距離ｄ１またはｄ２に相当するものである。ここで、圧電ダイヤフラムへ印加する電圧を変化させることによりスペーサの孔７１ａに対向する圧電ダイヤフラムの金属板５２ａが自由に変化できるような孔の大きさとする。例えば、スペーサの両面の外縁部に弾性を備えた接着剤または両面テープを用いて固定してもよい。

圧電ダイヤフラム５２は、円板状の金属板５２ａと、金属板５２ａの片面または両面に貼り付けられた厚み方向に分極された円板状の圧電素子５２ｂとで構成されている。これは、圧電スピーカや圧電ポンプに一般的に用いられている。金属板５２ａと圧電素子５２ｂの表面に形成された電極間に電圧を印加すると、圧電ダイヤフラム５２の厚み方向に屈曲変形が生じる。

圧電ダイヤフラム５２に電圧を印加すると、圧電ダイヤフラム５２の中央部は平面コイル４２に対して接近したり、離れたりするように変形するため、平面コイル４２の線間容量が変化し、その結果、共振周波数を電気的に制御することができる。
このように、圧電ダイヤフラムと平面コイルを一体化してユニット化することができ、システム構成を簡略化し薄型化しやすいというメリットがある。
なお、一般的にダイヤフラムは、外縁部を固定して中央部の変位を利用するが、ダイヤフラムの中央部を固定してダイヤフラムの外縁部の変位を利用してもよい。

（実施例４）
上記した実施例１〜３は、圧電アクチュエータで金属板を動かして線間容量を変化させるものであるが、実施例４は、コイルの巻線間隔を変化させることにより線間容量を変化させるものである。

図７は、本発明のワイヤレス電力伝送システムに用いる共振器の第４の実施例を示す斜視図である。
図７に示すように、ソレノイドコイル４３の一方の端末４３ｂが固定物に固定され、他方の端末４３ａが絶縁体７３を介して、圧電バイモルフ５の金属板５ａの先端部に固定される。ソレノイドコイル４３の巻き軸方向に圧電バイモルフ５を配置し、圧電バイモルフ５に電圧を印加することで、ソレノイドコイル４３の巻き軸長が変化する。ソレノイドコイル４３の巻き軸長を伸縮すると、ソレノイドコイル４３の巻線間隔ｄ３が変化することにより線間容量が変化する。

ここで、ソレノイドコイルの巻き数が一定の場合、巻線間隔が小さくなると線間容量が増えるとともにインダクタンスも僅かながら増えることが知られている。このことから、共振周波数は下がる。
したがって、ソレノイドコイルを圧電アクチュエータで巻き軸方向に伸縮させることにより共振器の共振周波数を電気的に制御することができる。

圧電バイモルフの替わりに、圧電ダイヤフラムも使用可能である。絶縁体を介してコイルの片端末を圧電ダイヤフラムの中央部に固定し、圧電ダイヤフラムの外縁部を固定すれば、同じ動作が得られる。
またソレノイドコイルの替わりに、平面コイルも使用可能である。例えば、平面コイルの周辺部を固定し、中央部を圧電アクチュエータにより面軸方向に伸縮すれば、平面コイルが角錐状または円錐状に変形することにより平面コイルの線間容量が変化する。
さらに、ソレノイドコイルを軸方向に伸縮させるのではなく、軸の位置を横方向にずらして線間容量を変化させてもよい。

（実施例５）
上記した実施例１〜４ではコイルの線間容量を変化させたが、コイルの両端末に可変コンデンサを直列に接続してコンデンサの静電容量を可変して共振周波数を制御してもよい。

図８は本発明のワイヤレス電力伝送システムに用いる共振器の第５の実施例を示す斜視図である。
ソレノイドコイル４４の端末４４ａと４４ｂ間に、距離がｄ４離れた二枚の平行金属板６ａ、６ｂからなる空気コンデンサ６が接続されている。一方の金属板６ａまたは６ｂに絶縁体７４を介して圧電バイモルフ５に固定されている。金属板６ｂまたは６ａと端末４４ｂは固定物（図示せず）に固定される。

圧電バイモルフ５に電圧を印加すると、距離ｄ４が接近したり離れたりする。したがって、空気コンデンサ６の容量を可変することができ、共振器の共振周波数を電気的に制御することができる。
図８において、空気コンデンサは極板間の距離を変化させて静電容量を制御したが、対向する極板の面積や、極板間の誘電体の位置を変更して、静電容量を制御してもよい。また、ソレノイドコイルの替わりにスパイラルコイルなどの平面コイルを用いてもよい。

以上述べたように、圧電アクチェータを用いて共振器の共振周波数を電気的に制御することが可能である。なお、圧電アクチェータは送電部と受電部の両方またはどちらか一方のみに設置してもよい。また、共振器に上記説明した容量可変部と固定コンデンサとを抱き合わせてもよい。

このように、圧電式アクチュエータは磁界を発生せず、磁界の影響も受けず、消費電力は電磁式に比べて格段と低く、反応速度も速い。したがって、共振周波数の制御を電気的にリアルタイムで行うことができ、使用環境や負荷状態などの変動に応じてワイヤレス電力伝送の効率を常に最適制御することが可能となる。また、コイルの製造時の線間容量のばらつきによる共振周波数のばらつきも抑えることができる。

また、圧電式アクチュエータには多くの種類がある。圧電式アクチュエータは上記の実施例に限定されるものではなく、原理的にはあらゆる圧電アクチュエータが使用可能で、コイルの形状、必要な周波数の調整量などに合わせて最適なアクチュエータを選択すればよい。大きな変位量の得られる圧電バイモルフや圧電ダイヤフラムが磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムに最適であるが、より大きな駆動力が必要な場合、積層型縦効果の圧電アクチュエータが使用可能であり、より大きな変位量が必要とされる場合は、リニア超音波モータを利用した圧電アクチュエータも利用可能である。

１１送電部
１２受電部
２１送電ループ
２２受電ループ
３１、３２共振器
４、４３、４４ソレノイドコイル
４１、４２平面コイル
５圧電バイモルフ
５２圧電ダイヤフラム
５ａ、５２ａ、５ｅ、６ａ，６ｂ金属板
５ｂ、５ｃ、５２ｂ圧電素子
５ｄ固定部材
６空気コンデンサ
７２スペーサ
７２ａ孔
７３、７４絶縁体
９１交流電源
９２負荷

Claims

第１の共振器を具えた送電部と、
前記第１の共振器と共鳴する第２の共振器を具えた受電部とが、第１の共振器と第２の共振器との共鳴を利用して電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムにおいて、
前記第１の共振器と第２の共振器はコイルを具え、
前記第１の共振器と第２の共振器のうち両方またはいずれか一方の前記コイルの近傍に、圧電アクチェータを具え、
前記圧電アクチェータにより前記コイルの線間容量を変えて、前記共振器の共振周波数を制御することを特徴とする、ワイヤレス電力伝送システム。
第１の共振器を具えた送電部と、
前記第１の共振器と共鳴する第２の共振器を具えた受電部とが、第１の共振器と第２の共振器との共鳴を利用して電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムにおいて、
前記第１の共振器と第２の共振器はコイルを具え、
前記第１の共振器と第２の共振器のうち両方またはいずれか一方の前記コイルの一端を固定し、他端に圧電アクチェータを接続し、
前記圧電アクチェータにより前記コイルの線間容量を変えて、前記共振器の共振周波数を制御することを特徴とする、ワイヤレス電力伝送システム。
第１の共振器を具えた送電部と、
前記第１の共振器と共鳴する第２の共振器を具えた受電部とが、第１の共振器と第２の共振器の共鳴を利用して電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムにおいて、
前記第１の共振器と第２の共振器はコイルを具え、
前記第１の共振器と第２の共振器のうち両方またはいずれか一方の共振器は、可変コンデンサと圧電アクチェータを具え、
前記圧電アクチェータが、前記可変コンデンサの静電容量を変えることにより、前記共振器の共振周波数を制御することを特徴とする、ワイヤレス電力伝送システム。
前記圧電アクチェータは一端部に、金属または誘電体を取り付けたことを特徴とする、請求項１記載のワイヤレス電力伝送システム。
前記共振器に固定コンデンサを具えたことを特徴とする、請求項１乃至請求項４記載のワイヤレス電力伝送システム
前記コイルは、ソレノイドコイルであることを特徴とする、請求項１乃至請求項５記載のワイヤレス電力伝送システム。
前記コイルは、平面コイルであることを特徴とする、請求項１乃至請求項５記載のワイヤレス電力伝送システム。
前記圧電アクチェータは、圧電バイモルフまたは圧電ユニモルフであることを特徴とする、請求項１乃至請求項５記載のワイヤレス電力伝送システム。
前記圧電アクチェータは、圧電ダイヤフラムであることを特徴とする請求項１乃至請求項５記載のワイヤレス電力伝送システム。