JP2011142748A - ワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】伝送効率の劣化を防止でき、しかもシステムの簡素化、小型化を図ることが可能なワイヤレス給電システムを提供する。
【解決手段】ワイヤレス給電システム１０は、給電装置２０と、給電装置２０から送電された電力を受電する受電装置３０と、を有し、給電装置２０は、給電すべき電力を生成する電力生成部２２と、電力生成部２２で生成される電力が給電される給電素子２１１と、給電素子２１１により電磁誘導により結合する共振素子２１２と、を含み、受電装置３０は、給電装置から送電された電力を受電する受電素子３１１と、電力の受電素子３１１の負荷との接続部におけるインピーダンス整合機能を含む整合部（マッチング回路）３１２と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触（ワイヤレス）で電力の供給、受信を行う非接触給電方式のワイヤレス給電システムに関するものである。

ワイヤレス（無線）で電力の供給を行う方式として電磁誘導方式が知られている。
また、近年、電磁共鳴現象を利用した磁界共鳴方式と呼ばれる方式を用いたワイヤレス給電、および充電システムが注目されている。

現在、既に広く用いられている電磁誘導方式の非接触給電方式は、給電元と給電先（受電側）とで磁束を共有する必要があり、効率良く電力を送るには給電元と給電先とを極近接して配置する必要があり、結合の軸合わせも重要である。

一方、電磁共鳴現象を用いた非接触給電方式は、電磁共鳴現象という原理から、電磁誘導方式よりも距離を離して電力伝送することができ、かつ、多少軸合わせが悪くても伝送効率があまり落ちないという利点がある。
なお、電磁共鳴現象には磁界共鳴方式の他に電界共鳴方式がある。

たとえば特許文献１には、磁界共鳴方式を採用したワイヤレス給電システムが開示されている。

この特許文献１に開示される技術では、給電回路と接続された給電コイルから、電磁誘導により共振コイル（共鳴コイルともいう）に電力が伝達される構成を有し、周波数の調整が共振コイルに接続されたキャパシタと抵抗によって行われる。

近年、磁界の共振現象を利用した磁界共鳴方式を採用して２ｍ離れて６０Ｗの電力伝送を実現した無線電力伝送技術が報告されている。
また、磁界共鳴方式を採用して、６０Ｗの電力を伝送し、５０ｃｍ離れた電子機器を駆動する高効率な「ワイヤレス給電システム」の開発が報告されている。
この無線電力伝送技術では、数ｍの距離で数１０Ｗの無線電力伝送ができるので、オフィスや家庭内での、新しいコンセプトの商品への応用が期待されている。

特開２００１−１８５９３９号公報

ところが、磁界共鳴型のワイヤレス給電システムでは、送受電距離を近づけると周波数特性が変化し、かえって伝送効率が劣化するという問題がある。

上記の問題を解決する方法として、次の方法がある。
すなわち、周波数特性が変わったときに、
１）電源周波数そのものを変えて調整する方法、
２）送電側コイルのインダクタンスやキャパシタンスを調整して変化を相殺する方法、
３）送電側の電源回路にインピーダンスを調整する回路を挿入する方法、
などがある。

ただし、いずれも周波数特性の変化を検知して調整する何らかの装置が必要になり、システムの簡素化、小型化の妨げになっている。

磁界共鳴型のワイヤレス給電システムでは、Ｑ値の高い大きなサイズのコイルが送受電の両側に必要であり、特に受電側のワイヤレス機器の小型化の妨げになっている。

電磁誘導型のワイヤレス給電システムでは、磁束を高めるために巻数の多いコイルやフェライトコアなどが用いられ、重量が重くなるとともに小型化の妨げになっている。

本発明は、伝送効率の劣化を防止でき、しかもシステムの簡素化、小型化を図ることが可能なワイヤレス給電システムを提供することにある。

本発明の第１の観点のワイヤレス給電システムは、給電装置と、上記給電装置から送電された電力を受電する受電装置と、を有し、上記給電装置は、給電すべき電力を生成する電力生成部と、上記電力生成部で生成される電力が給電される共振素子と、を含み、上記受電装置は、上記給電装置から送電された電力を受電する受電素子と、上記電力の上記受電素子の負荷との接続部におけるインピーダンス整合機能を含む整合部と、を含む。

本発明によれば、伝送効率の劣化を防止でき、しかもシステムの簡素化、小型化を図ることができる。

本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの送電側コイルおよび受電側コイルの関係を模式的に示す図である。 本実施形態に係るマッチング回路が接続された受電コイルのインピーダンス特性を示すスミスチャートである。 マッチング回路を持たない受電コイルのインピーダンス特性を比較例として示すスミスチャートである。 本実施形態に係るワイヤレス給電システムの伝送ロス特性を示す特性図である。 本実施形態に係るワイヤレス給電システムの伝送距離と伝送ロスと周波数との関係を対応付けて示す図である。 本実施形態に係るワイヤレス給電システムの送受電コイルを模式的に示す図である。 比較例として共鳴型ワイヤレス給電システムの伝送ロス特性を示す特性図である。 比較例として共鳴型ワイヤレス給電システムの伝送距離と伝送ロスと周波数との関係を対応付けて示す図である。 比較例として共鳴型ワイヤレス給電システムの送受電コイルを模式的に示す図である。 比較例として電磁誘導型ワイヤレス給電システムの伝送ロス特性を示す特性図である。 比較例として電磁誘導型ワイヤレス給電システムの伝送距離と伝送ロスと周波数との関係を対応付けて示す図である。 比較例として電磁誘導ワイヤレス給電システムの送受電コイルを模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの応用例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施形態（ワイヤレス給電システムの第１構成例）
２．第２の実施形態（ワイヤレス給電システムの第２構成例）
３．第３の実施形態（ワイヤレス給電システムの第３構成例）
４．第４の実施形態（ワイヤレス給電システムの応用）

＜１．第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。
図２は、本発明の第１の実施形態に係るワイヤレス給電システムの送電側コイルおよび受電側コイルの関係を模式的に示す図である。

本ワイヤレス給電システム１０は、電力伝送システムとして形成される。
本ワイヤレス給電システム１０は、給電装置２０および受電装置３０を有する。

給電装置２０は、送電コイル部２１、および高周波電力発生部２２を含んで構成されている。

送電コイル部２１は、給電素子としての給電コイル２１１、および共振素子としての共振コイル２１２を有する。
共振コイルは共鳴コイルとも呼ぶが、本実施形態においては共振コイルと呼ぶこととする。

給電コイル２１１は、交流（ＡＣ）電流が給電されるループコイルにより形成される。
共振コイル２１２は、給電コイル２１１と電磁誘導により結合する空心コイルにより形成され、給電コイル２１１により給電されたＡＣ電力をワイヤレスで効率良く伝送する。
なお、給電側において、給電コイル２１１と共振コイル２１２とは電磁誘導により強く結合している。

高周波電力発生部２２は、ワイヤレス電力伝送のための高周波電力（ＡＣ電力）を発生する。
高周波電力発生部２２で発生された高周波電力は、送電コイル部２１の給電コイル２１１に給電（印加）される。

受電装置３０は、受電コイル部３１、検波回路３２、および受電した電力の供給先であるＬＥＤ等の負荷３３を含んで構成されている。

受電コイル部３１は、受電コイル３１１、および整合部としてのマッチング回路３１２を有する。

受電コイル３１１は、給電装置２０側の共振コイル２１２との結合関係をもって、給電装置２０から伝送されたＡＣ電力を受電する。

マッチング回路３１２は、図示しないコントローラにより供給される制御信号に応じて受電コイル３１１の負荷端におけるインピーダンス整合機能を有する。

検波（整流）回路３２は、受電した交流電力を整流して直流（ＤＣ）電力として、図示しない電圧安定化回路において、供給されるＤＣ電力を、供給先である電子機器の仕様に応じたＤＣ電圧に変換して、その安定化したＤＣ電圧をＬＥＤ等の負荷３３に供給する。

ここで、送受電コイルの構成例について、図２に関連付けて説明する。

本ワイヤレス給電システム１０においては、共振コイルは送電側の共振コイル２１２の１つのみである。
送電側の給電コイル２１１と共振コイル２１２が電磁誘導により結合している。
さらに、共振コイル２１２と受電側の受電コイル３１１が結合して電力を負荷３３に供給する。
送電側の給電コイル２１１と共振コイル２１２を送電（給電）装置として一体化することで、受電側には受電コイル３１１とマッチング回路３１２のみの構成とすることが可能なため、受電装置３０を小型化、簡略化することができる。

次に、本ワイスレス給電システム１０の全体的な動作概要について説明する。

高周波電力発生部２２において発生されたＡＣ電力は、給電コイル２１１に給電され、給電コイル２１１を介し、電磁誘導による結合で送電用共振コイル２１２に伝送される。
送電用共振コイル２１２に供給された電力は、共振コイル２１２によって定まる周波数においてマッチング回路３１２に接続された受電コイル３１１を介し検波回路３２に供給される。
検波回路３２ではＡＣ電力は、ＤＣ電力に変換された後、図示しない電圧安定化回路において、ＤＣ電力が、供給先である電子機器の仕様に応じたＤＣ電圧に変換されて、その安定化したＤＣ電圧がＬＥＤ等の負荷３３に供給される。

なお、送電側の共振コイル２１２によって定まる周波数は使用するシステムによって変えることも考えられるが、本システム１０の受電コイル３１１は共振していない。
このため、送電側の共振コイル２１２と受電コイル３１１との距離によって変わる結合の強さの調整と、マッチング回路３１２でのインピーダンス調整によって、異なる共振周波数の送電コイルとの組み合わせでも受電側は使用することができる。

すなわち、本実施形態のワイヤレス給電システム１０において、周波数は送電用共振コイル２１２によって定まる。
そして、送電側の共振コイル２１２と受電コイル３１３との距離Ｄによって変わる結合の強さと、受電側のマッチング回路３１２でのインピーダンス調整によって伝送特性を調整できる。

ここで、受電コイルのインピーダンス特性について考察する。
図３は、本実施形態に係るマッチング回路が接続された受電コイルのインピーダンス特性を示すスミスチャートである。
図４は、マッチング回路を持たない受電コイルのインピーダンス特性を比較例として示すスミスチャートである。

受電コイル３１１は，巻数が少なく小さい構造とするため、インダクタンスおよびキャパシタンスの値が小さく低インピーダンスになる。
そのため、比較例のようにマッチング回路を持たない場合、受電側の負荷３３とのインピーダンスが合わずに伝送ロスが大きくなり、図４に示すように、このままの構成では効率よく使用することができない。
これに対して、本実施形態のように、受電コイル３１１と負荷３３との間にマッチング回路３１２を追加することで、図３に示すように、負荷とのインピーダンスのマッチングをとり伝送効率を上げることができる。

次に、本実施形態に係るワイヤレス給電システムの伝送ロス特性について考察する。
ここで、磁界共鳴型ワイヤレス給電システムおよび電磁誘導型ワイヤレス給電システムの伝送ロス特性を比較例として示す。

図５は、本実施形態に係るワイヤレス給電システムの伝送ロス特性を示す特性図である。
図６は、本実施形態に係るワイヤレス給電システムの伝送距離と伝送ロスと周波数との関係を対応付けて示す図である。
図７は、本実施形態に係るワイヤレス給電システムの送受電コイルを模式的に示す図である。

図７においては、共振コイル２１２と受電ループコイル３１１ａとの対応関係を示している。
この例では、共振コイル２１２は、その巻数が１４で、一辺が１７０ｍｍの矩形状に形成される。
受電ループコイル３１１ａは、その巻数が１で、一辺が９０ｍｍの矩形状に形成される。
コイルの線径はともに１ｍｍである。
そして、共振コイル２１２と受電コイル３１１ａ間の距離が伝送距離Ｄとなる。

図５においては、横軸が周波数を、縦軸が伝送ロスをそれぞれ示している。
図５において、Ｋで示す曲線は伝送距離Ｄが１０ｍｍのときの伝送ロス特性を、Ｌで示す曲線は伝送距離Ｄが３０ｍｍのときの伝送ロス特性を示している。
図５において、Ｍで示す曲線は伝送距離Ｄが５０ｍｍのときに伝送特性を、Ｎで示す曲線は伝送距離Ｄが１００ｍｍのときの伝送特性を示している。

本実施形態に係るワイヤレス給電システム１０においては、図５および図６に示すように、伝送距離Ｄが１０ｍｍのとき、伝送ロスが−０．２２［ｄＢ］で、共振周波数は１３．０［ＭＨｚ］である。
伝送距離Ｄが３０ｍｍのとき、伝送ロスが−０．２６［ｄＢ］で、周波数は１２．９［ＭＨｚ］である。
伝送距離Ｄが５０ｍｍのとき、伝送ロスが−０．６４［ｄＢ］で、周波数は１２．８［ＭＨｚ］である。
伝送距離Ｄが１００ｍｍのとき、伝送ロスが−４．１３［ｄＢ］で、周波数は１２．８［ＭＨｚ］である。

このように、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１０においては、伝送距離Ｄを近づけても共振コイル２１２の周波数特性の変化がないため、伝送特性は劣化しない。

図８は、比較例として共鳴型ワイヤレス給電システムの伝送ロス特性を示す特性図である。
図９は、比較例として共鳴型ワイヤレス給電システムの伝送距離と伝送ロスと周波数との関係を対応付けて示す図である。
図１０は、比較例として共鳴型ワイヤレス給電システムの送受電コイルを模式的に示す図である。

図１０においては、送電側共振コイル２１２と受電側共振コイル３１３との対応関係を示している。
この例では、送電側共振コイル２１２および受電側共振コイル３１３は、その巻数が共に１４で、一辺が１７０ｍｍの矩形状に形成される。
コイルの線径はともに１ｍｍである。
そして、送電側共振コイル２１２と受電側共振コイル３１３間の距離が伝送距離Ｄとなる。

図８においては、横軸が周波数を、縦軸が伝送ロスをそれぞれ示している。
図８において、Ｍで示す曲線は伝送距離Ｄが５０ｍｍのときに伝送特性を、Ｎで示す曲線は伝送距離Ｄが１００ｍｍのときの伝送特性を示している。

共鳴型ワイヤレス給電システムにおいては、図８および図９に示すように、伝送距離Ｄが１００ｍｍのとき、伝送ロスが−０．２１［ｄＢ］で、周波数は１３．４［ＭＨｚ］である。
伝送距離Ｄが５０ｍｍのとき、伝送ロスが−６．４５［ｄＢ］で、周波数は１３．４［ＭＨｚ］である。

このように、共鳴型ワイヤレス給電システムにおいては、伝送距離Ｄを近づける周波数特性が変化し、かえって使用周波数帯で伝送特性が劣化してしまう。

図１１は、比較例として電磁誘導型ワイヤレス給電システムの伝送ロス特性を示す特性図である。
図１２は、比較例として電磁誘導型ワイヤレス給電システムの伝送距離と伝送ロスと周波数との関係を対応付けて示す図である。
図１３は、比較例として電磁誘導ワイヤレス給電システムの送受電コイルを模式的に示す図である。

図１３においては、送電側給電コイル（送電コイル）２１１ｂと受電側給電コイル（受電コイル）３１１ｂとの対応関係を示している。
送電側給電コイル２１１ｂと受電側給電コイル３１１ｂの距離が伝送距離Ｄとなる。

図１１においては、横軸が周波数を、縦軸が伝送ロスをそれぞれ示している。
図１１において、Ｊで示す曲線は伝送距離Ｄが５ｍｍのときの伝送特性を、Ｋで示す曲線は伝送距離Ｄが１０ｍｍのときの伝送特性を、Ｌで示す曲線は伝送距離Ｄが５０ｍｍのときの伝送特性を示している。

電磁誘導型ワイヤレス給電システムにおいては、図１１および図１２に示すように、伝送距離Ｄが５ｍｍのとき、伝送ロスが−０．９９［ｄＢ］で、周波数は０．７［ＭＨｚ］である。
伝送距離Ｄが１０ｍｍのとき、伝送ロスが−４．２２［ｄＢ］で、周波数は０．７［ＭＨｚ］である。
伝送距離Ｄが５０ｍｍのとき、伝送ロスが−１０．４０［ｄＢ］で、周波数は０．３［ＭＨｚ］である。

このように、電磁誘導型ワイヤレス給電システムにおいては、伝送距離Ｄを遠ざけると伝送特性が劣化してしまう。
すなわち、電磁誘導型ワイヤレス給電システムにおいては、伝送距離は数ｍｍ程度である。
これに対して、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１０においては、電磁誘導型よりも伝送距離を延ばせるため、設置の自由度があり、小型機器への給電、充電に適している。
また、上述したように、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１０においては、共鳴型のように、伝送距離を近づけると周波数特性が変化し、かえって伝送特性が劣化してしまうことがない。
すなわち、本実施形態に係るワイヤレス給電システム１０においては、伝送距離を近づけても共振コイルの周波数特性の変化がないため、伝送特性は劣化しない。

＜２．第２の実施形態＞
図１４は、本発明の第２の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。

本第２の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ａが第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０と異なる点は、給電装置２０Ａの送電コイル部２１Ａにおいて、給電コイル２１１にマッチング回路２１３が接続されていることにある。

本ワイヤレス給電システム１０Ａでは、高周波電力発生部２２で発生されたＡＣ電力はマッチング回路２１３に接続された給電コイル２１１を介し、電磁誘導による結合で送電用共振コイル２１２に伝送される。マッチング回路２１３では、送電側のインピーダンス調整が行われる。
送電用共振コイル２１２に供給された電力は、共振する周波数においてマッチング回路３１２に接続された受電コイル３１１を介し検波回路３２に供給される。

このように、送電側コイル部２１Ａにおいても、給電コイル２１１にマッチング回路２１３を接続することにより、送電側のインピーダンス調整が可能になり、伝送効率を上げることができる。

＜３．第３の実施形態＞
図１５は、本発明の第３の実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成例を示すブロック図である。

本第３の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０Ｂが第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０と異なる点は、給電装置２０Ａの送電コイル部２１Ｂにおいて、給電コイル２１１の代わりに給電位置可変部２１４を配置したことにある。
給電位置可変部２１４は、たとえばＡＣ電力の供給ラインと共振コイル２１２との接続点を可変するスイッチを含み、共振コイル２１２に対する給電位置を可変でき、共振コイルの共振周波数の調整、および共振コイルのインピーダンスの調整が可能である。

本ワイヤレス給電システム１０Ｂでは、高周波電力発生部２２で発生されたＡＣ電力は給電位置可変部２１４に接続された給電コイル２１１を介し、電磁誘導による結合で送電用共振コイル２１２に伝送される。
送電用共振コイル２１２に供給された電力は、共振する周波数においてマッチング回路３１２に接続された受電コイル３１１を介し検波回路３２に供給される。

このように、送電側コイル部２１Ｂにおいて、給電位置可変部２１４を配置して、給電位置を可変することにより、共振コイルの共振周波数の調整、および共振コイルのインピーダンスの調整が可能になり、伝送効率を上げることができる。

＜４．第４の実施形態＞
図１６は、本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムの応用例を示す図である。

この応用例においては、給電装置（送電装置）２０Ｃが卓上等に載置可能なたとえば直方体形状の装置として形成されている。
図１６において、受電装置としては、携帯端末などの小型機器３０Ｃの充電や電飾体３０Ｄが例示されている。
小型機器３０や電飾体３０Ｄには、受電用ループコイル３１１が組み込まれている。
給電装置２０Ｃの主面２３上に置かれた、あるいは数十ｍｍ程度に近接された小型機器３０Ｃの充電や電飾体３０Ｄに対して、給電装置２０Ｃに組み込まれた共振コイル２１２から電力が送電され、小型機器３０Ｃの充電や電飾体３０Ｄなどの給電に使用できる。

ワイヤレス給電システム１０Ｃは、共鳴型と同様に位置合わせに自由度があり、同時並列的に複数の機器にも給電できる。

以上説明したように、本実施形態のワイヤレス給電システムによれば、以下の効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態によれば、共振コイルが１つですむため、受電側には簡単なループコイルとマッチング回路のみで構成できるため受電側の小型化ができる。
近い距離でも共振する周波数が変化しないため、周波数の調整回路などがなくても効率良く給電することが可能なので構成が簡単になる。
電磁誘導のように厳密な位置合わせが必要なく、ユーザーの使い勝手が良い。
異なる共振周波数の送電コイルとの組み合わせの使用でも、受電側の距離とマッチング回路の調整によって使用することができる。

１０，１０Ａ〜１０Ｃ・・・ワイヤレス給電システム、２０，２０Ｃ，２０Ｄ・・・給電装置、２１・・・送電コイル部、２１１・・・給電コイル、２１２・・・共振コイル、２１３・・・マッチング回路、２１４・・・給電位置可変部、２２・・・高周波電力発生部、３０・・・受電装置、３１・・・受電コイル部、３１１・・・受電コイル、３１２・・・マッチング回路、３２・・・検波回路、３３・・・負荷。

Claims (5)

1. 給電装置と、
   上記給電装置から送電された電力を受電する受電装置と、を有し、
   上記給電装置は、
   給電すべき電力を生成する電力生成部と、
   上記電力生成部で生成される電力が給電される共振素子と、を含み、
   上記受電装置は、
   上記給電装置から送電された電力を受電する受電素子と、
   上記電力の上記受電素子の負荷との接続部におけるインピーダンス整合機能を含む整合部と、を含む
   ワイヤレス給電システム。
2. 上記給電装置は、
   給電すべき電力を生成する電力生成部と、
   上記電力生成部で生成される電力が給電され、電磁誘導によって上記共振素子と結合する給電素子と、を含み、
   上記共振素子は、
   上記給電素子により電磁誘導により結合する
   請求項１記載のワイヤレス給電システム。
3. 上記電力生成部による電力の上記給電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む整合部を含む
   請求項２記載のワイヤレス給電システム。
4. 上記電力生成部による電力の上記共振素子への給電位置を可変する給電位置可変部を含む
   請求項１記載のワイヤレス給電システム。
5. 周波数は上記共振素子により定まり、
   伝送特性は、
   送電側の上記共振素子と受電素子との距離によって変わる結合の強さと、受電側の上記整合部でのインピーダンス調整によって調整可能である
   請求項１から４のいずれか一に記載のワイヤレス給電システム。

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