JP2011151946A - Relay coil sheet and wireless power feed system - Google Patents
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Abstract
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中継コイルシートおよびワイヤレス給電システムに関するものである。 The present invention relates to a relay coil sheet and a wireless power feeding system of a non-contact power feeding method for supplying and receiving power in a non-contact (wireless) manner.
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。
An electromagnetic induction method is known as a method for supplying power wirelessly.
In recent years, wireless power feeding and charging systems using a method called a magnetic field resonance method using an electromagnetic resonance phenomenon have attracted attention.
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。 Currently, the electromagnetic induction type non-contact power feeding method that is already widely used needs to share the magnetic flux between the power supply source and the power supply destination (power receiving side). Must be placed in close proximity, and alignment of the bond is also important.
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。
On the other hand, the non-contact power supply method using the electromagnetic resonance phenomenon can transmit power at a greater distance than the electromagnetic induction method due to the principle of the electromagnetic resonance phenomenon, and transmission efficiency is low even if the alignment is somewhat poor. There is an advantage of not falling.
The electromagnetic resonance phenomenon includes an electric field resonance method in addition to a magnetic field resonance method.
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。 For example, Patent Literature 1 discloses a wireless power feeding system that employs a magnetic field resonance method.
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および抵抗によって行われる。 The technique disclosed in Patent Document 1 has a configuration in which power is transmitted from a power supply coil connected to a power supply circuit to a resonance coil (also referred to as a resonance coil) by electromagnetic induction, and frequency adjustment is applied to the resonance coil. This is done by connected capacitors and resistors.
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。
In recent years, there has been reported a wireless power transmission technique that employs a magnetic field resonance method using a magnetic field resonance phenomenon and realizes 60 W of power transmission at a distance of 2 m.
In addition, the development of a highly efficient “wireless power feeding system” that uses a magnetic field resonance method to transmit 60 W of power and drives an
上述したように、磁界共鳴型ワイヤレス給電（電力伝送）システムは磁界により電力を伝送する点においては電磁誘導と同様であるが、磁界共鳴型では共鳴現象を利用することで電磁誘導型と比較して凡そ十倍程度の伝送距離が得られる。 As described above, the magnetic field resonance type wireless power transfer (power transmission) system is similar to the electromagnetic induction in that power is transmitted by a magnetic field, but the magnetic field resonance type uses a resonance phenomenon to compare with the electromagnetic induction type. A transmission distance of about ten times is obtained.
しかし、そのような性能を得るには優れた共振器、すなわち高いＱ値を持った共振器が必要となる。
Ｑ値が高いと言うことはシャープな周波数特性を持つことを意味し、帯域幅とはトレードオフの関係となる。そして狭い帯域幅は以下のような欠点に繋がる。
However, to obtain such performance, an excellent resonator, that is, a resonator having a high Q value is required.
A high Q value means that it has a sharp frequency characteristic and has a trade-off relationship with the bandwidth. And the narrow bandwidth leads to the following drawbacks.
１）搬送波の周波数がずれると伝送効率が著しく低下する。
２）周囲環境の変化や温度変化により共振器の共振周波数がずれると伝送効率が著しく低下する。
３）共振点以外の周波数では電力が伝送できない。
予め設定した共振周波数以外で電力を伝送するには共振周波数を変更する必要がある。よって何らかの定数の設定変更が必要となる。
その結果、機構的に複雑になり、共振器のＱ値の低下など電気的特性の劣化に繋がる。
1) If the frequency of the carrier wave is shifted, the transmission efficiency is significantly reduced.
2) If the resonance frequency of the resonator shifts due to a change in ambient environment or a change in temperature, the transmission efficiency is significantly reduced.
3) Electric power cannot be transmitted at frequencies other than the resonance point.
In order to transmit electric power at a frequency other than the preset resonance frequency, it is necessary to change the resonance frequency. Therefore, some constant setting change is required.
As a result, it becomes mechanically complicated, leading to deterioration of electrical characteristics such as a decrease in the Q value of the resonator.
以上のように、磁界共鳴型電力伝送システムは基本的にふたつの共振器を持ち、条件によっては単独の共振器の周波数特性と比較して広い帯域幅が得られるが、磁界共鳴型の本質として各共振器は高いＱ値持つ必要があり、より広い帯域幅が望まれる。 As described above, the magnetic field resonance type power transmission system basically has two resonators. Depending on the conditions, a wide bandwidth can be obtained compared to the frequency characteristics of a single resonator. Each resonator needs to have a high Q value, and a wider bandwidth is desired.
そして、磁界共鳴型のワイヤレス給電装置では、送電コイルと効率良く共鳴する範囲であれば給電コイルを動かせるため、送受電コイル間の位置ずれによる伝送効率の劣化を気にせずに給電コイルの設置が可能である。
ただし、磁界が共鳴する範囲は送電コイルから近い範囲に限られるため、送電コイルの周囲でのワイヤレス給電にとどまっている。
そのため、受電装置のレイアウトを変更する際は、送電コイルの位置も動かす必要がある。
In the magnetic field resonance type wireless power feeder, since the power feeding coil can be moved within a range that efficiently resonates with the power transmitting coil, the power feeding coil can be installed without worrying about the deterioration of the transmission efficiency due to the displacement between the power transmitting and receiving coils. Is possible.
However, since the range in which the magnetic field resonates is limited to a range close to the power transmission coil, wireless power feeding around the power transmission coil is limited.
Therefore, when changing the layout of the power receiving apparatus, it is necessary to move the position of the power transmission coil.
本発明は、磁界共鳴型においてより広帯域な周波数特性を得ることが可能で、給電範囲を変更あるいは拡大することが可能な中継コイルシートおよびワイヤレス給電システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a relay coil sheet and a wireless power feeding system capable of obtaining a wider frequency characteristic in the magnetic field resonance type and capable of changing or expanding a power feeding range.
本発明の第１の観点の中継コイルシートは、送電側共振コイルと互いに磁界共鳴関係をもって結合する中継コイルを含み、上記中継コイルがシート状に形成されている。 A relay coil sheet according to a first aspect of the present invention includes a relay coil that is coupled to a power transmission resonance coil with a magnetic field resonance relationship, and the relay coil is formed in a sheet shape.
本発明の第２の観点のワイヤレス給電システムは、電力が給電され、当該電力を送電する送電側共振コイルを含む給電装置と、上記送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電して送電可能な中継コイルを含む少なくとも一つの中継コイルシートと、上記磁界共鳴関係をもって上記中継コイルシートから送電された電力を受電可能な受電装置と、を有し、上記中継コイルシートは、送電側共振コイルと互いに磁界共鳴関係をもって結合する中継コイルを含み、上記中継コイルがシート状に形成されている。 A wireless power feeding system according to a second aspect of the present invention is capable of receiving and transmitting power from a power feeding device including a power transmission side resonance coil that is fed with power and transmits the power, and having the transmitted power in a magnetic resonance relationship. And at least one relay coil sheet including a relay coil, and a power receiving device capable of receiving the power transmitted from the relay coil sheet with the magnetic field resonance relationship, the relay coil sheet being mutually connected to the power transmission side resonance coil. The relay coil includes a relay coil coupled with a magnetic field resonance relationship, and the relay coil is formed in a sheet shape.
本発明によれば、磁界共鳴型においてより広帯域な周波数特性を得ることができ、給電範囲を変更あるいは拡大することができる。 According to the present invention, a broader frequency characteristic can be obtained in the magnetic field resonance type, and the power supply range can be changed or expanded.
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．ワイヤレス給電システムの基本構成例
２．中継コイルシートを１つ用いたワイヤレス給電システムの全体的な動作概要
３．中継コイルシートを２つ用いたワイヤレス給電システムの全体的な動作概要
４．中継コイルシートの第１の配置例
５．中継コイルシートの第２および第３の配置例と給電範囲
６．中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第１の改善方法
７．中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第２の改善方法
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The description will be given in the following order.
1. 1. Basic configuration example of wireless
＜１．ワイヤレス給電システムの基本構成例＞
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。
<1. Basic configuration example of wireless power supply system>
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a wireless power feeding system according to the first embodiment of the present invention.
本ワイヤレス給電システム１０は、給電装置２０、受電装置３０、および中継コイルシート４０を有する。
The wireless
給電装置２０は、送電コイル部２１、および発振器ＯＳＣを含む高周波電力生成部２２を含んで構成されている。
The
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。
The power
Although the resonance coil is also referred to as a resonance coil, it is referred to as a resonance coil in the present embodiment.
給電コイル２１１は、たとえば交流（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、共振器ＴＸ１として機能し、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。
The feeding
The
On the power supply side, the
高周波電力生成部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。
高周波電力生成部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。
The high frequency
The high frequency power generated by the high frequency
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負荷３３を含んで構成されている。
The
受電コイル部３１は、給電素子としての給電コイル３１１、および共振素子としての共振（共鳴）コイル３１２を有する。
The power
給電コイル３１１は、共振コイル３１２から電磁誘導によって交流電流が給電される。
共振コイル３１２は、給電コイル３１１と電磁誘導により結合する空心コイルにより形成され、給電装置２０の共振コイル２１２または中継コイルシート４０の中継コイル４１と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く受信する。
共振コイル３１２は、受電側共振器ＲＸ１として機能する。
The feeding
The
The
なお、給電コイル３１１の負荷端におけるインピーダンス整合機能を有する図示しない整合回路が配置される。
A matching circuit (not shown) having an impedance matching function at the load end of the feeding
検波回路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。
The
中継コイルシート４０は、給電装置２０の共振コイル２１２あるいは受電装置３０の共振コイル３１２と同様の中継コイル（共振コイル）４１をシート状として構成されている。
このシート状の中継コイル（共振コイル）４１は携帯自在であり、給電装置２０の共振コイル２１２とは受電装置３０の共振コイル３１２との間に１つ（または複数）配置することが可能である。この配置方法については後で詳述する。
中継コイルシート４０の共振コイル４１と給電装置２０の共振コイル２１２とは、磁界共鳴関係をもって結合可能であり、共振コイル４１は中継段の共振器ＭＸ１として機能する。
中継コイルシート４０の共振コイル４１と受電装置３０の共振コイル３１２とは、磁界共鳴関係をもって結合可能である。
中継コイルシート４０の共振コイル４１は、共振コイル２１２等と同様に空心コイルにより形成され、受電装置３０の共振コイル３１２と自己共振周波数が一致したときに磁界共鳴関係となり電力を効率良く伝送する。
The
This sheet-like relay coil (resonant coil) 41 is portable, and one (or a plurality) can be disposed between the
The
The
The
中継コイルシート４０は、たとえば矩形状のシートとして形成される。
後で図解して示すように、本実施形態の中継コイルシート４０は、送電側共振コイル２１２と同じ周波数に共鳴しているコイルをシート状にして収納し、配線なしで並べるだけで中継して電力を受電コイルに送電でき、給電範囲のレイアウトが容易に変えられる。
中継コイルシート４０は、送電側共振コイル２１２と同じ周波数に共鳴しているコイルをシート状にして収納し、互いに着脱可能な固定できる構造としてコイル間の距離を一定にすることにより、伝送特性を安定させるようにすることが可能である。
中継コイルシート４０は、送電側共振コイル２１２から受電側共振コイル３１２までの電力が供給される経路以外に中継コイルがある場合、使用していない中継コイル４１の端部をショートさせることが可能である。
これにより、中継コイルとしての機能を停止し、必要な経路への電力供給の効率を向上させることができる。
また、本実施形態においては、送電側共振コイル２１２から受電側共振コイル３１２までの電力が供給される経路以外に中継コイル４１がある場合、使用していない中継コイルシート４０の上に金属または磁性体を含んだシールド用シートを置くことが可能である。
これにより、中継コイル４１としての機能を停止し、必要な経路への電力供給の効率を向上させることができる中継コイルの無効化シートとして機能させることが可能である。
The
As illustrated and shown later, the
The
When the
Thereby, the function as a relay coil can be stopped and the efficiency of the electric power supply to a required path | route can be improved.
Further, in the present embodiment, when the
Thereby, it is possible to stop the function as the
＜２．中継コイルシートを１つ用いた本ワイヤレス給電システム１０の全体的な動作概要＞
次に、中継コイルシートを１つ用いた本ワイヤレス給電システム１０の全体的な動作概要について説明する。
図２は、本実施形態に係る中継コイルシートを１つ用いたワイヤレス給電システムの等価ブロックを示す図である。
図３は、本実施形態に係る中継コイルシートを１つ用いたワイヤレス給電システムの等価回路を示す図である。
<2. Overview of Overall Operation of the Wireless
Next, an overall operation outline of the wireless
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent block of a wireless power feeding system using one relay coil sheet according to the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of a wireless power feeding system using one relay coil sheet according to the present embodiment.
給電側共振器ＴＸ１は、コイルＬ１とその浮遊容量またはコイルＬ１と並列接続されたキャパシタＣ１とにより共振回路ＲＣ１を構成する。
同様に、中継段の共振器ＭＸ１は、等価的に、コイルＬ２１とその浮遊容量またはコイルＬ２１と並列接続されたキャパシタＣ２とにより、第１の共振回路ＲＣ２１を構成する。
また、中継段の共振器ＭＸ１は、等価的に、コイルＬ２２とその浮遊容量またはコイルＬ２２と並列接続されたキャパシタＣ２とにより、第２の共振回路ＲＣ２２を構成する。
受電側共振器ＲＸ１は、コイルＬ３とその浮遊容量またはコイルＬ３と並列接続されたキャパシタＣ３とにより共振回路ＲＣ３を構成する。
The power feeding side resonator TX1 forms a resonance circuit RC1 by the coil L1 and its stray capacitance or the capacitor C1 connected in parallel with the coil L1.
Similarly, the relay stage resonator MX1 equivalently forms a first resonance circuit RC21 by the coil L21 and its stray capacitance or the capacitor C2 connected in parallel with the coil L21.
In addition, the relay stage resonator MX1 equivalently forms a second resonance circuit RC22 by the coil L22 and its stray capacitance or the capacitor C2 connected in parallel with the coil L22.
The power-receiving-side resonator RX1 forms a resonance circuit RC3 by the coil L3 and its stray capacitance or the capacitor C3 connected in parallel with the coil L3.
このように、本第１の実施形態に係るワイヤレス給電システム１０は、３つの共振器ＴＸ１、ＭＸ１、ＲＸ１を含んで構成される。
Thus, the wireless
給電装置２０側において、高周波電力生成部２２の発振器ＯＳＣ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共振コイル２１２に伝送される。
そして、共振コイル２１２と共振コイル４１とは、磁界共鳴関係をもって結合しており、共振コイル２１２が共振コイル４１に伝達される。
この場合、共振器ＴＸ１と給電（結合）コイル２１１は誘導結合していて信号の伝達と同時にトランスＴ１として機能してインピーダンス変換を行う（トランス動作）。
給電（結合）コイル２１１は発振器ＯＳＣの出力に接続され、発振器ＯＳＣによりドライブすることで共振器ＴＸ１は励起される。
励起された共振器ＴＸ１の周辺にはコイルが形成する誘導磁界が発生し、次段（中継段）に近接して配置された共振器ＭＸ１がこの誘導時間を拾い上げ、エネルギーが伝達される。
これにより、中継段の共振器ＭＸ１が励起され、共振器ＭＸ１の周辺にはコイルが形成する誘導磁界が発生する。
そして、この中継段の共振器ＭＸ１に受電側の共振器ＲＸ１が近接（たとえば数十ｃｍ）配置されることで、受電装置３０でこの誘導磁界が拾い上げられ、エネルギーが伝達される。
共振器ＲＸ１に励起された電力は給電装置２０と同様に給電（結合）コイル３１１に伝達されて、最終的に高周波電力が検波回路３２を通して直流電力へと変換される。
On the
The
In this case, the resonator TX1 and the power feeding (coupling)
The feeding (coupling)
An induction magnetic field formed by a coil is generated around the excited resonator TX1, and the resonator MX1 arranged close to the next stage (relay stage) picks up this induction time and transmits energy.
As a result, the relay stage resonator MX1 is excited, and an induction magnetic field formed by the coil is generated around the resonator MX1.
Then, the
The power excited by the resonator RX1 is transmitted to the power feeding (coupling)
このように、給電装置２０の共振器ＴＸ１と、受電装置３０の共振器ＲＸ１との間に中継段の共振器ＭＸ１を挿入して多段化することで帯域を調整可能で、適切な設計を行うことで広帯域化が可能となる。
As described above, the band can be adjusted by inserting the resonator MX1 of the relay stage between the resonator TX1 of the
＜３．中継コイルシートを２つ用いた本ワイヤレス給電システム１０Ａの全体的な動作概要＞
次に、中継コイルシートを２つ用いた本ワイヤレス給電システム１０Ａの全体的な動作概要について説明する。
図４は、本実施形態に係る中継コイルシートを２つ用いたワイヤレス給電システムの等価ブロックを示す図である。
図５は、本実施形態に係る中継コイルシートを２つ用いたワイヤレス給電システムの等価回路を示す図である。
<3. Overview of Overall Operation of Wireless
Next, an overall operation outline of the wireless
FIG. 4 is a diagram showing an equivalent block of a wireless power feeding system using two relay coil sheets according to the present embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing an equivalent circuit of a wireless power feeding system using two relay coil sheets according to the present embodiment.
給電側共振器ＴＸ１は、コイルＬ１とその浮遊容量またはコイルＬ１と並列接続されたキャパシタＣ１とにより共振回路ＲＣ１を構成する。
同様に、中継段の共振器ＭＸ１は、等価的に、コイルＬ２１とその浮遊容量またはコイルＬ２１と並列接続されたキャパシタＣ２とにより、第１の共振回路ＲＣ２１を構成する。
また、中継段の共振器ＭＸ１は、等価的に、コイルＬ２２とその浮遊容量またはコイルＬ２２と並列接続されたキャパシタＣ２とにより、第２の共振回路ＲＣ２２を構成する。
同様に、中継段の共振器ＭＸ２は、等価的に、コイルＬ４１とその浮遊容量またはコイルＬ４１と並列接続されたキャパシタＣ４とにより、第１の共振回路ＲＣ４１を構成する。
また、中継段の共振器ＭＸ２は、等価的に、コイルＬ４２とその浮遊容量またはコイルＬ４２と並列接続されたキャパシタＣ４とにより、第２の共振回路ＲＣ４２を構成する。
受電側共振器ＲＸ１は、コイルＬ３とその浮遊容量またはコイルＬ３と並列接続されたキャパシタＣ３とにより共振回路ＲＣ３を構成する。
The power feeding side resonator TX1 forms a resonance circuit RC1 by the coil L1 and its stray capacitance or the capacitor C1 connected in parallel with the coil L1.
Similarly, the relay stage resonator MX1 equivalently forms a first resonance circuit RC21 by the coil L21 and its stray capacitance or the capacitor C2 connected in parallel with the coil L21.
In addition, the relay stage resonator MX1 equivalently forms a second resonance circuit RC22 by the coil L22 and its stray capacitance or the capacitor C2 connected in parallel with the coil L22.
Similarly, the relay stage resonator MX2 equivalently forms a first resonance circuit RC41 by the coil L41 and its stray capacitance or the capacitor C4 connected in parallel with the coil L41.
In addition, the relay stage resonator MX2 equivalently forms a second resonance circuit RC42 by the coil L42 and its stray capacitance or the capacitor C4 connected in parallel with the coil L42.
The power-receiving-side resonator RX1 forms a resonance circuit RC3 by the coil L3 and its stray capacitance or the capacitor C3 connected in parallel with the coil L3.
このように、このワイヤレス給電システム１０Ａは、４つの共振器ＴＸ１、ＭＸ１、ＭＸ２、ＲＸ１を含んで構成される。
As described above, the wireless
給電装置２０側において、高周波電力生成部２２の発振器ＯＳＣ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共振コイル２１２に伝送される。
そして、共振コイル２１２と中継コイルシート４０−１の共振コイル４１−１とは、磁界共鳴関係をもって結合しており、共振コイル２１２の電力が共振コイル４１−１に伝達される。
この場合、共振器ＴＸ１と給電（結合）コイル２１１は誘導結合していて信号の伝達と同時にトランスＴ１として機能してインピーダンス変換を行う（トランス動作）。
給電（結合）コイル２１１は発振器ＯＳＣの出力に接続され、発振器ＯＳＣによりドライブすることで共振器ＴＸ１は励起される。
励起された共振器ＴＸ１の周辺にはコイルが形成する誘導磁界が発生し、次段（中継段）に近接して配置された共振器ＭＸ１がこの誘導時間を拾い上げ、エネルギーが伝達される。
これにより、中継段の共振器ＭＸ１が励起され、共振器ＭＸ１の周辺にはコイルが形成する誘導磁界が発生する。
そして、この中継段の共振器ＭＸ１に受電側の共振器ＭＸ２を形成する中継コイル（共振コイル）４１−２が近接（たとえば数十ｃｍ）配置されることで、受電装置３０でこの誘導磁界が拾い上げられ、エネルギーが伝達される。
すなわち、受電装置３０でこの誘導磁界が拾い上げられ、共振コイル３１２にエネルギーが伝達される。
これにより、中継段の共振器ＭＸ２が励起され、共振器ＭＸ２の周辺にはコイルが形成する誘導磁界が発生する。
そして、共振コイル３１２と中継コイルシート４０−２の共振コイル４１−２とは、磁界共鳴関係をもって結合し、共振コイル４１−２の電力が共振コイル３１２に伝達される。
これにより、共振コイル３１２により形成される共振器ＲＸ１に励起された電力は給電装置２０と同様に給電（結合）コイル３１１に伝達されて、最終的に高周波電力が検波回路３２を通して直流電力へと変換される。
On the
The
In this case, the resonator TX1 and the power feeding (coupling)
The feeding (coupling)
An induction magnetic field formed by a coil is generated around the excited resonator TX1, and the resonator MX1 arranged close to the next stage (relay stage) picks up this induction time and transmits energy.
As a result, the relay stage resonator MX1 is excited, and an induction magnetic field formed by the coil is generated around the resonator MX1.
Then, the relay coil (resonant coil) 41-2 that forms the power receiving side resonator MX2 is disposed close to (for example, several tens of centimeters) of the relay stage resonator MX1, so that the induced magnetic field is generated by the
That is, the induced magnetic field is picked up by the
As a result, the relay stage resonator MX2 is excited, and an induction magnetic field formed by the coil is generated around the resonator MX2.
The
As a result, the power excited by the resonator RX1 formed by the
このように、給電装置２０の共振器ＴＸ１と、受電装置３０の共振器ＲＸ１との間に中継段の共振器ＭＸ１、ＭＸ２を挿入して多段化することで帯域を調整可能で、適切な設計を行うことで広帯域化が可能となる。
本ワイヤレス給電システム１０Ａにおいては、中継段の共振器ＭＸ１，ＭＸ２を形成する中継コイルシート４０−１，４０−２が給電装置２０と受電装置３０間の給電経路に配置される。
As described above, the band can be adjusted by inserting the resonators MX1 and MX2 in the relay stage between the resonator TX1 of the
In the wireless
なお、ここでは４共振器までの多段化例を挙げたがさらに段数を上げることも可能で、その場合、更なる広帯域化が可能となる。 Here, an example of multistage up to four resonators has been given, but the number of stages can be further increased, and in this case, further broadening of the bandwidth is possible.
＜４．中継コイルシートの第１の配置例＞
上述したように、本ワイヤレス給電システム１０においては、給電範囲を可変にするための中継コイルシートを適用する。
このように、本ワイヤレス給電システム１０においては、送電側共振コイル２１２と受電側共振コイル３１２の間に、同じ周波数で共鳴しているシート状に形成された中継コイル４１を配置する。これにより、用いることで電力は中継され伝送距離は伸ばす、または伝送効率をあげることができる。
<4. First Arrangement Example of Relay Coil Sheet>
As described above, in this wireless
Thus, in the wireless
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、共振コイルの配置例を示す図である。
図７は、図６（Ａ）〜（Ｃ）の共振コイルの配置に対応した周波数に対する伝送特性を示す図である。
図７において、横軸が周波数を示す、縦軸が伝送効率を示している。
図８は、図６（Ａ）〜（Ｃ）の共振コイルの配置に対応した伝送効率と周波数を具体的に示す図である。
FIGS. 6A to 6C are diagrams illustrating examples of arrangement of resonance coils.
FIG. 7 is a diagram illustrating transmission characteristics with respect to frequency corresponding to the arrangement of the resonance coils in FIGS. 6 (A) to 6 (C).
In FIG. 7, the horizontal axis indicates the frequency, and the vertical axis indicates the transmission efficiency.
FIG. 8 is a diagram specifically showing transmission efficiency and frequency corresponding to the arrangement of the resonance coils of FIGS. 6 (A) to 6 (C).
図６（Ａ）は、送電側共振コイル２１２と受電側共振コイル３１２を隣接して並べた配置である。
送電側共振コイル２１２の周囲で近距離であれば良好な伝送特性を示す。
この場合、図８に示すように、伝送効率は９４．５％で、周波数は１３．１ＭＨｚであある。
FIG. 6A shows an arrangement in which the power transmission
Good transmission characteristics are exhibited if the distance is short around the power transmission
In this case, as shown in FIG. 8, the transmission efficiency is 94.5% and the frequency is 13.1 MHz.
図６（Ｂ）は、送電側共振コイル２１２と受電側共振コイル３１２の距離を離した場合の配置である。
距離が離れるにしたがって伝送ロスが増加するために、実用は難しい。
この場合、図８に示すように、伝送効率は２．９％で、周波数は１３．０ＭＨｚである。
FIG. 6B shows an arrangement when the distance between the power transmission
Since transmission loss increases as the distance increases, practical use is difficult.
In this case, as shown in FIG. 8, the transmission efficiency is 2.9% and the frequency is 13.0 MHz.
図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）の送電側共振コイル２１２と受電側共振コイル３１２の間に２つの中継コイル４１−１，４１−２を配置した状態である。
この場合、送電側共振コイル２１２からの電力が中継コイル４１−１，４１−２を介して受電側共振コイル３１２に伝えられるので、送電側共振コイル２１２から離れた位置にある受電側共振コイル３１２に伝送ロスが小さい状態で送電することができる。
伝送ロスを小さい状態で送電するためには、それぞれの中継コイル４１は一定の距離で近い位置に配置することが必要であり、距離が遠い配置が間にあると伝送ロスが大きくなる。
この場合、図８に示すように伝送効率は８８．２％で、周波数は１３．１ＭＨｚである。
FIG. 6C shows a state in which two relay coils 41-1 and 41-2 are arranged between the power transmission
In this case, since the electric power from the power transmission
In order to transmit power with a small transmission loss, it is necessary to arrange each
In this case, as shown in FIG. 8, the transmission efficiency is 88.2% and the frequency is 13.1 MHz.
＜５．中継コイルシートの第２および第３の配置例と給電範囲＞
図９は、本実施形態に係る中継コイルシートの第２の配置例と給電範囲を説明するための図である。
図１０は、本実施形態に係る中継コイルシートの第３の配置例と給電範囲を説明するための図である。
<5. Second and third arrangement examples of relay coil sheet and power supply range>
FIG. 9 is a diagram for explaining a second arrangement example of the relay coil sheet and the power supply range according to the present embodiment.
FIG. 10 is a diagram for explaining a third arrangement example of the relay coil sheet and the power supply range according to the present embodiment.
図９および図１０に示すように、中継コイルシート４０は矩形状のシートとして形成されており、直線上だけでなく途中で曲げて配置しても良く、受電側共振コイル３１２は中継コイル４１の側面、あるいは上に配置しても効率よく伝送することができる。
中継コイル４１の配置を変えることで給電できる範囲が変更できるため、送電側共振コイル２１２の位置を動かすことなくレイアウトを変更することができる。
また、互いに着脱可能な固定できる構造とすることで、コイル間の距離を一定に保持可能である。
As shown in FIGS. 9 and 10, the
Since the range in which power can be supplied can be changed by changing the arrangement of the
Further, the distance between the coils can be kept constant by adopting a structure that can be fixed to be detachable from each other.
＜６．中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第１の改善方法＞
図１１は、本実施形態において送電側共振コイル周辺に中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第１の改善方法を説明するための図である。
図１２は、図１１の送電に寄与しない中継コイルのすべてをショートさせたときとショートさせないときの周波数に対する伝送特性を示す図である。
図１２において、横軸が周波数を示す、縦軸が伝送効率を示している。図１２中のＡで示す曲線がショートさせたときの特性を示し、Ｂで示す曲線がショートさせていないときの特性を示している。
図１３は、図１１の送電に寄与しない中継コイルのすべてをショートさせたときとショートさせないときの伝送効率と周波数を具体的に示す図である。
<6. First Improvement Method of Transmission Characteristics when Multiple Relay Coil Sheets are Arranged>
FIG. 11 is a diagram for explaining a first improvement method of transmission characteristics when a plurality of relay coil sheets are arranged around the power transmission side resonance coil in the present embodiment.
FIG. 12 is a diagram showing transmission characteristics with respect to frequency when all of the relay coils that do not contribute to power transmission in FIG. 11 are short-circuited and short-circuited.
In FIG. 12, the horizontal axis indicates the frequency, and the vertical axis indicates the transmission efficiency. The curve shown by A in FIG. 12 shows the characteristics when short-circuited, and the curve shown by B shows the characteristics when not short-circuited.
FIG. 13 is a diagram specifically showing transmission efficiency and frequency when all of the relay coils that do not contribute to power transmission in FIG. 11 are short-circuited and when short-circuited.
図１１に示すように、中継コイルを予め多く配置すると、送電側共振コイル２１２から受電側共振コイル３１２までの送電経路以外にも中継コイル４１−２〜４１−４が存在することがある。
このような場合、使用する周波数特性が変化して伝送特性が劣化することがある。図１３に示すように、送電に寄与しない中継コイルのすべてをショートさせていないときの伝送効率は７９．１％である。
これに対して、送電に寄与しない中継コイルのすべてをショートさせたときの伝送効率は８９．６％であり、伝送特性の改善を図ることができる。
このように、伝送に不要な経路に置かれた中継コイルの端部をショートする機能を持たせることによって、図１２および図１３に示すように、伝送特性の改善をすることができる。
As shown in FIG. 11, when many relay coils are arranged in advance, relay coils 41-2 to 41-4 may exist in addition to the power transmission path from the power transmission
In such a case, the frequency characteristics used may change and the transmission characteristics may deteriorate. As shown in FIG. 13, the transmission efficiency when all of the relay coils that do not contribute to power transmission are not short-circuited is 79.1%.
On the other hand, the transmission efficiency when all of the relay coils that do not contribute to power transmission are short-circuited is 89.6%, and transmission characteristics can be improved.
As described above, by providing a function of shorting the end of the relay coil placed on a path unnecessary for transmission, the transmission characteristics can be improved as shown in FIGS.
＜７．中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第２の改善方法＞
図１４は、本実施形態において送電側共振コイル周辺に中継コイルシートを複数配置したときの伝送特性の第２の改善方法を説明するための図である。
図１５は、図１１の送電に寄与しない中継コイルのすべてに金属シートを配置させたときと配置させないときの周波数に対する伝送特性を示す図である。
図１５において、横軸が周波数を示す、縦軸が伝送効率を示している。図１５中のＡで示す曲線が金属シートを配置させたときの特性を示し、Ｂで示す曲線が配置させていないときの特性を示している。
図１６は、図１４の送電に寄与しない中継コイルのすべてに金属シートを配置させたときと配置させないときの伝送効率と周波数を具体的に示す図である。
<7. Second improvement method of transmission characteristics when a plurality of relay coil sheets are arranged>
FIG. 14 is a diagram for explaining a second method for improving the transmission characteristics when a plurality of relay coil sheets are arranged around the power transmission resonance coil in the present embodiment.
FIG. 15 is a diagram illustrating transmission characteristics with respect to frequency when the metal sheet is disposed on all of the relay coils that do not contribute to power transmission in FIG. 11 and when the metal sheet is not disposed.
In FIG. 15, the horizontal axis indicates the frequency, and the vertical axis indicates the transmission efficiency. The curve shown by A in FIG. 15 shows the characteristics when the metal sheet is arranged, and the curve shown by B shows the characteristics when not arranged.
FIG. 16 is a diagram specifically illustrating transmission efficiency and frequency when the metal sheet is disposed on all of the relay coils that do not contribute to power transmission in FIG. 14 and when the metal sheet is not disposed.
図１４に示すように、中継コイルを予め多く配置すると、送電側共振コイル２１２から受電側共振コイル３１２までの送電経路以外にも中継コイル４１−２〜４１−４が存在することがある。
このような場合、使用する周波数特性が変化して伝送特性が劣化することがある。図１６に示すように、送電に寄与しない中継コイルのすべてに金属シート（シールド用シート）４２−１〜４２−３を配置さていないときの伝送効率は７９．１％である。
これに対して、送電に寄与しない中継コイルのすべてに金属シートを配置させたときの伝送効率は８９．６％であり、伝送特性の改善を図ることができる。
このように、伝送に不要な経路に置かれた中継コイルの上に金属または磁性体を含んだシールド機能を有するシートを置くことで、図１５および図１６に示すように、中継コイルとしての機能を停止し、伝送特性の改善をすることができる。
As illustrated in FIG. 14, when many relay coils are arranged in advance, relay coils 41-2 to 41-4 may exist in addition to the power transmission path from the power transmission
In such a case, the frequency characteristics used may change and the transmission characteristics may deteriorate. As shown in FIG. 16, the transmission efficiency is 79.1% when the metal sheets (shield sheets) 42-1 to 42-3 are not arranged in all the relay coils that do not contribute to power transmission.
On the other hand, the transmission efficiency when the metal sheet is arranged on all the relay coils that do not contribute to power transmission is 89.6%, and the transmission characteristics can be improved.
Thus, by placing a sheet having a shielding function including a metal or a magnetic material on a relay coil placed in a path unnecessary for transmission, as shown in FIGS. 15 and 16, the function as a relay coil is achieved. The transmission characteristics can be improved.
以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
すなわち、共振コイルの並べ方によって給電範囲を変えられるため、給電装置を設置した後からでもレイアウトの変更が容易にできる。
展示会での展示物や店舗での商品のレイアウトを変更する際に、中継コイルを内蔵したシート状のクロスやじゅうたん等を並べなおすことで電源の配線を気にすることがなくワイヤレスで給電することができる。
コイルをシート状にして着脱可能な構造にすることによって、中継するコイル間の距離を一定にでき、伝送効率を安定させるとともに、レイアウトもし易くなる。
このように、本実施形態によれば、磁界共鳴型のワイヤレス給電システムにおいて、送電コイルと同じ周波数に共鳴している中継コイルを水平方向に並べられるようにシート状にして中継動作させることで給電範囲を変更、または拡大できる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
That is, since the power supply range can be changed by arranging the resonance coils, the layout can be easily changed even after the power supply apparatus is installed.
When changing the layout of exhibits at exhibitions or products at stores, power is supplied wirelessly without having to worry about power supply wiring by rearranging sheet-like cloths and carpets with built-in relay coils. be able to.
By making the coil into a sheet-like structure that can be attached and detached, the distance between relayed coils can be made constant, the transmission efficiency can be stabilized, and the layout can be facilitated.
As described above, according to the present embodiment, in the magnetic field resonance type wireless power feeding system, the relay coils resonating at the same frequency as the power transmission coil are relayed in a sheet shape so as to be arranged in the horizontal direction, thereby feeding power. The range can be changed or expanded.
また、本実施形態によれば、磁界共鳴型の長い伝送距離の実現に必須の共振器の高い性能（Ｑ値）を維持したまま広帯域化が可能となる。
搬送波の周波数がずれても伝送効率の低下を防止することができる。したがって、送信機内の発振器の周波数精度は低くて済む。また、温度変化や電源変動による周波数変動の影響を受けずに済む。
共振器の共振周波数は周囲環境や接続される回路のパラメータ変動で変化するが、帯域が広いためにこれらの変動による影響を受けずに済む。
本実施形態では磁界共鳴型でありながら広い帯域を持つのでデータの重畳も容易に行うことができる。
共振器の段数を４つ以上に増やすことでさらなる広帯域化も可能となる。
Further, according to the present embodiment, it is possible to widen the bandwidth while maintaining the high performance (Q value) of the resonator essential for realizing a long transmission distance of the magnetic field resonance type.
Even if the frequency of the carrier wave is shifted, it is possible to prevent a decrease in transmission efficiency. Therefore, the frequency accuracy of the oscillator in the transmitter may be low. In addition, it is not affected by frequency fluctuations due to temperature changes or power supply fluctuations.
The resonance frequency of the resonator changes due to parameter fluctuations in the surrounding environment and connected circuit. However, since the band is wide, it is not affected by these fluctuations.
Although this embodiment has a wide band despite being a magnetic resonance type, it is possible to easily superimpose data.
By increasing the number of resonator stages to four or more, it is possible to further increase the bandwidth.
１０，１０Ａ・・・ワイヤレス給電システム、２０・・・給電装置、２１・・・送電コイル部、２１１・・・給電コイル、２１２・・・共振（共鳴）コイル、２２・・・高周波電力生成部、３０・・・受電装置、３１・・・受電コイル部、３２・・・整流回路、３３・・・負荷、４０，４０−１，４０−２・・・中継コイルシート、４１，４１−１，４１−２・・・中継コイル（共振コイル）。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
上記中継コイルがシート状に形成されている
中継コイルシート。 Including a relay coil coupled to the power transmission side resonance coil with a magnetic field resonance relationship with each other;
A relay coil sheet in which the relay coil is formed into a sheet shape.
請求項１記載の中継コイルシート。 The relay coil sheet according to claim 1, wherein the relay coil sheet has a structure that can be detachably fixed to each other, and can maintain a constant distance between the coils.
請求項１または２記載の中継コイルシート。 The relay coil disposed outside the path when the power from the power transmission side resonance coil to the power reception side resonance coil is disposed can be short-circuited at the end thereof. 2. The relay coil sheet according to 2.
請求項１または２記載の中継コイルシート。 The shield sheet can be arranged in the relay coil arranged outside the path when the electric power is supplied from the power transmission side resonance coil to the power reception side resonance coil. Relay coil sheet.
上記送電された電力を、磁界共鳴関係をもって受電して送電可能な中継コイルを含む少なくとも一つの中継コイルシートと、
上記磁界共鳴関係をもって上記中継コイルシートから送電された電力を受電可能な受電装置と、を有し、
上記中継コイルシートは、
送電側共振コイルと互いに磁界共鳴関係をもって結合する中継コイルを含み、
上記中継コイルがシート状に形成されている
ワイヤレス給電システム。 A power feeding device including a power transmission side resonance coil to which power is fed and transmitting the power;
At least one relay coil sheet including a relay coil capable of receiving and transmitting the transmitted power with a magnetic field resonance relationship;
A power receiving device capable of receiving the power transmitted from the relay coil sheet with the magnetic field resonance relationship,
The relay coil sheet is
Including a relay coil coupled to the power transmission side resonance coil with a magnetic field resonance relationship with each other;
A wireless power feeding system in which the relay coil is formed in a sheet shape.
請求項５記載のワイヤレス給電システム。 The wireless power feeding system according to claim 5, wherein the wireless power feeding system has a structure that can be detachably fixed to each other and can maintain a constant distance between the coils.
送電側共振コイルから受電側共振コイルまでの電力が供給される経路以外に配置される場合、当該経路以外に配置される中継コイルは、その端部をショートさせることが可能である
請求項５または７記載のワイヤレス給電システム。 The relay coil sheet is
The relay coil disposed outside the path when the power is transmitted from the power transmission side resonance coil to the power reception side resonance coil can be short-circuited at an end thereof. 7. The wireless power feeding system according to 7.
送電側共振コイルから受電側共振コイルまでの電力が供給される経路以外に配置されると場合、当該経路以外に配置される中継コイルは、シールド用シートを配置可能である
請求項５または６記載のワイヤレス給電システム。 The relay coil sheet is
The shield coil can be arranged in the relay coil arranged outside the path when arranged outside the path through which power from the power transmission side resonance coil to the power reception side resonance coil is supplied. Wireless power supply system.
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