JP2012075304A - 無線電力伝送装置 - Google Patents
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Abstract
非放射、高効率でありながら、面的な拡がりを備えた給電を可能とする無線電力伝送装置を提供する。
【解決手段】
電力供給源と、隣接する共鳴素子間で共鳴可能なように配置された3個以上の共鳴素子からなる共鳴素子群と、制御部と、を備える。共鳴素子群は、電力供給源から電力を受け取る第1素子と、電力供給対象に電力を供給する第2素子と、を含んでおり、前記制御部は、前記共鳴素子群における共鳴素子を選択的に共鳴させることで、前記第1素子及び前記第2素子を除く共鳴素子の少なくとも一部を中継素子として動作させて、当該中継素子により前記第1素子から前記第2素子への電力伝送経路を形成する。
【選択図】図9
Description
本発明のより具体的な課題は、本明細書の記載から明らかになる。
電力供給源と、
隣接する共鳴素子間で共鳴可能なように面方向に配置された3個以上の共鳴素子からなる共鳴素子群と、
制御部と、を備え、
前記共鳴素子群は、電力供給源から電力を受け取る第1素子と、電力供給対象に電力を供給する第2素子と、を含んでおり、
前記制御部は、前記第1素子、前記第2素子の位置に基づいて、前記共鳴素子群における共鳴素子を選択的に共鳴させることで、前記第1素子及び前記第2素子を除く共鳴素子の少なくとも一部を中継素子として動作させて、当該中継素子により前記第1素子から前記第2素子への電力伝送経路を形成する、
無線電力伝送装置、である。
前記制御部は、共鳴素子を選択的に導通・非導通させることで所定の共鳴素子を中継素子として動作させて前記電力伝送経路を形成する。
1つの態様では、少なくとも第1素子を除く各共鳴素子は、前記制御部からの指令によりON/OFF可能なスイッチを有しており、スイッチがONとなると共鳴素子が導通し(共振コイルが短絡する)、スイッチがOFFとなる共鳴素子が非導通となる(共振コイルが開放する)。前記制御部は、共鳴素子に選択的にON/OFF指令を無線で送信することで所定の共鳴素子を中継素子として動作させて前記電力伝送経路を形成する。
1つの態様では、前記共鳴素子群において、少なくとも第1素子を除く各共鳴素子は、当該共鳴素子上に電力供給対象が配置されたことを検知する手段と、前記検知手段による検知信号を無線で前記制御部に送信する送信手段と、を備えている。
1つの態様では、前記制御部は、前記第1素子以外の各共鳴素子に夫々設けられた複数のローカル制御部を含んでおり、
各ローカル制御部には、各共鳴素子のIDと位置情報との対応テーブルと、前記第2素子の位置に基づいて当該ローカル制御部が設けられた共鳴素子の導通・非導通を判定する手段と、判定結果に基づいて当該ローカル制御部が設けられた共鳴素子を導通あるいは非導通とする手段と、を備えている。
1つの態様では、前記第1素子も、データを無線で送受信可能な無線通信手段を備えている。
各板状体は、面部と直交するように延びる中心軸を規定する螺旋コイルを内蔵しており、各中心軸を互いに平行させて、中心軸に直交する方向に互いに隣接するように配置されている。
1つの態様では、板状体の共鳴素子は、低背の円柱形状(円板状)である。
典型的には、各共鳴素子は同じ外形・寸法を備えている。
1つの態様では、互いに隣接する共鳴素子の側部(周面)同士の間隔は、当該間隔を形成する共鳴素子の直径寸法未満であり、好ましくは、各共鳴素子は側部同士を密接させるようにして配置される。ここでの「間隔」は、後述する実験における距離(図12参照)と異なるものである。
1つの態様では、前記制御部は、前記第1素子と前記第2素子とを対角点とする方形が形成できる場合には、当該方形内にある素子の全部(図9、図19)または一部(図8)を中継素子として動作させる。
一部の素子を中継素子として動作させる場合には、連続的に隣接しながら連なる複数の中継素子が第1素子と第2素子とを結ぶように、中継素子を選択する。例えば、前記第1素子と前記第2素子を結ぶ最短経路(X方向・Y方向に延びる直線の組み合わせからなる)上に位置する素子のみを中継素子として動作させる。より具体的には、方形の2辺を構成するL字状に配置された素子を中継素子として選択する。あるいは、第1素子と第2素子とを階段状に結ぶように中継素子が選択される。また、複数の最短経路が形成できる場合には、1つ又は複数の最短経路上に位置する素子を中継素子として動作させる。例えば、方形の2辺を構成するL字状の最短経路は2つあるが、いずれか一方の経路上の素子を中継素子として動作させても、あるいは両方の経路上の素子を中継素子として動作させてもよい。
前記制御部は、前記第1素子と前記第2素子とを対角点とする方形が形成できない場合には、前記第1素子と前記第2素子を結ぶ最短直線上に位置する素子のみを中継素子として動作させる。
前記制御部は、前記第1素子と前記第2素子を結ぶ最短直線上に位置する素子のみを中継素子として動作させる。
各共鳴素子は、そのインダクタンスL、キャパシタンスCによる自己共振周波数を持つ共振器であり、前記電力伝送経路を形成する複数の共鳴素子は、隣接する各素子間の結合係数によって共振結合されており、
前記電力伝送経路を形成する複数の共鳴素子を、中心周波数が共振器の自己共振周波数付近である複数の共振器の結合によるBPF(帯域通過フィルタ)とみなし、
前記BPFの周波数特性を満たすように、前記電力伝送経路を形成する複数の共鳴素子の各素子間の結合係数、前記電力伝送経路を形成する複数の共鳴素子の各素子のインダクタンスLおよび/またはキャパシタンスC、のいずれか一方あるいは両方を設定するようにした。
こうすることで、周波数特性がギザギザの櫛形(図29A)であったものを、台形(図29B)にすることができ、伝送効率を向上させることができる。
前記共鳴素子群が同じ共鳴素子から構成される場合には、各素子のインダクタンスLおよびキャパシタンスCが同じであるため、各素子間の結合係数のみを設定することになる(後述する実施形態参照)。
1つの態様では、前記結合係数は、各素子間の距離によって設定される(後述する実施形態参照)。この場合、結合係数と素子間の距離との対応関係を予め実測あるいは計算(ノイマンの公式等の距離の関数で求める)で取得しておく必要がある。
「線状」とは典型的には直線であるが、折れ線状や湾曲線状に配置されたものも含む。
「前記電力伝送経路を形成する複数の共鳴素子」が線状に配置されていることは、制御部により形成される電力伝送経路が線状であることであり、「3個以上の共鳴素子からなる共鳴素子群」は格子状に配置されている場合(その中から選択された一部が線状、すなわち、ONにするコイルを長方形の形ではなく直線状になるようにONにする)、線状に配置されている場合(その中から一部あるいは全部が選択される)の両方を含む。
制御部によって、共鳴素子群における共鳴素子を選択的に共鳴させることで、前記第1素子及び前記第2素子を除く共鳴素子の少なくとも一部を中継素子として動作させて、当該中継素子により前記第1素子から前記第2素子への電力伝送経路を形成することで、目標装置以外への電力供給により目標装置への電力伝送効率が低下すること、磁場に弱い機器が設置されている場所に磁場を発生させてしまうことによる障害を回避することができる。すなわち、必要な機器へ、必要な経路上の共鳴素子のみを用いて、必要な時に電力伝送できる。
本発明の無線電力伝送装置では、従来の共鳴素子を正対させて伝送する場合と異なり、この構成では、隣接する共鳴素子のすべてに磁場が生成される。このため、電力供給先を選ばないが、逆に必要の無い共鳴素子上の機器にも電力が伝送されてしまい、目標装置への電力伝送効率が低下するという欠点がある。
本発明の効果は上記記載に限定されるものではなく、その他の効果は、本明細書の記載から明らかになる。
本発明に係る無線電力伝送装置の実施形態を、図1〜9に基づいて説明する。無線電力伝送装置は、電力供給源(交流電源)と、隣接する共鳴素子(共振アンテナ)間で共鳴(共振)可能なように配置された3個以上の共鳴素子(共振アンテナ)からなる共鳴素子(共振アンテナ)群と、を備えている。
(1)無線LAN(WiFi)を使う場合
上方に電力供給対象が存在することを検知した共鳴素子(第2素子20A)が自己のIDをWiFiのアクセスポイントに通知する。
アクセスポイントが第2素子のIDを全ての共鳴素子20にブロードキャストする。
各共鳴素子20はそのブロードキャストされたIDを元に自己がONになるか以下かを判断し、自己の導通・非導通を制御する。
第2素子のIDは中央制御装置(例えば、給電素子に設けられる)へも送信され、第2素子のIDを取得した中央制御装置は、そのIDへの電力伝送効率が最大になるように給電素子への送信電力の周波数を調整する。
(2)アンテナの通信機のみ用いる場合
上方に電力供給対象が存在することを検知した共鳴素子(第2素子20A)が自己のIDを周囲の共鳴素子に通知する。
IDを受信した各共鳴素子は、そのブロードキャストされたIDに基づいて自己がONになるか否かを判断し、自己の導通・非導通を制御する。さらに周囲のアンテナへIDを転送する。
第2素子のIDは中央制御装置(例えば、給電素子に設けられる)へも送信され、第2素子のIDを取得した中央制御装置は、そのIDへの電力伝送効率が最大になるように給電素子への送信電力の周波数を調整する。
ヘリカルアンテナを試作し、直線状に配置した場合、格子状に配置した場合のそれぞれにおいてマルチホップでの伝送効率の測定実験に基づいてマルチホップ無線電力伝送方式の解析と評価を行った。
測定に使用したアンテナ(図11参照)は、非特許文献1を参考にして製作したものであり、直径1mmのポリエステル銅線を発泡スチロールに半径15cm、ピッチ5mmで5巻きしてなるヘリカルアンテナである。アンテナの端子にはSMAレセプタクルを取り付け、各種測定を容易にしている。中継アンテナにおいては、SMAコネクタの直前でポリエステル銅線をハンダ付けしショートさせたものを用いる。中継アンテナの端子を「ショート」にすると隣接するアンテナ同士で共鳴状態が作られる。一方「オープン」にすると、共鳴しないので、中継アンテナとして機能しない。送信アンテナと受信アンテナの間に中継アンテナを配置することにより電力を中継するアンテナとして機能し共振状態が作られマルチホップ無線電力伝送が可能となる。
シングルホップ無線電力伝送は2つのアンテナを用いて測定し、マルチホップ無線電力伝送は最大9個のアンテナを用いて伝送効率を測定した。伝送効率を求めるために、ベクトルネットワークアナライザ(VNA)を用い、15MHzから20MHzまでの透過係数のピーク値を記録した。伝送効率η21はベクトルネットワークアナライザから得られるデシベルの透過係数S21dBをもとに、式(2)から算出した。
シングルホップ無線電力伝送は通常は図12(A)の配置で行われる。本実施形態では、図12(B)のような配置でシングルホップにおける伝送効率を測定した。測定は効率が1%を切る距離まで行った。
マルチホップ無線電力伝送について2つの異なる条件で伝送効率の測定を行った。1つは、アンテナを密接して配置する条件(図12(C))、もう1つは、アンテナ間の端と端を5cm離して配置する条件(図12(D))である。マルチホップ無線電力伝送における測定は、2ホップの測定のときは3つのアンテナを配置し、3ホップの測定のときは4つのアンテナを配置した。測定は距離が240cmを超えたところで終了した。
試作したアンテナを用い、格子状に配置した二次元平面における伝送効率を測定した。二次元平面での伝送効率測定では、試作した9個のアンテナを密接させて3×3の格子状に並べ(図12(E))、給電アンテナと電力を得るアンテナを除く7個のアンテナを中継アンテナとして動作させている。便宜上、各アンテナに下から1〜9までの番号を割り当ててあり、アンテナ1を給電アンテナとし、その他の8個のアンテナへの伝送効率をそれぞれVNAにより測定した。測定点以外のアンテナも全て中継アンテナとして動作させて、給電アンテナであるアンテナ1からその他のアンテナ2〜9の8個のアンテナへの伝送効率を測定した。
[B−3−1]直線状における測定結果及び考察
シングルホップ無線電力伝送、アンテナを直線的に配置したマルチホップ無線電力伝送の測定結果を図13に示す。図13の縦軸は給電アンテナから電力を得るアンテナまでの伝送効率であり、横軸は給電アンテナから電力を得るアンテナまでの距離である。
各アンテナの効率と共振周波数を図16に示す。各アンテナ内の上の数字が左下のアンテナ1からの伝送効率であり、下の数字がその時の共振周波数である。アンテナ3、7の伝送効率は63±1%、アンテナ2、4、5、6、8の効率は67±3%、アンテナ9の効率は84.13%である。直線配置での測定ではホップ数が増加するにつれて伝送効率は緩やかに減少しているのに対して、二次元平面における測定ではホップ数が最も多い4ホップのアンテナ9で測定した時に最も効率が良い。
ある受信アンテナへ効率良く電力伝送を行うためには適切な中継アンテナのみ動作させ、電力伝送経路を制御する必要があることがわかった。その問題に対し、給電アンテナと受信アンテナを対角点とする方形内にあるアンテナのみ(長方形内のアンテナの全部あるいは一部)動作させるという伝送経路制御を行う(図19)示す。具体的には、図19に示すように、給電アンテナと受信アンテナを対角点とするような方形を生成し、その領域内にあるアンテナを全て動作させ(ON)、残りのアンテナを動作させない(OFF)ようにアンテナを選択的に共振させる。
[C−1]概要
磁界共振結合型の無線電力伝送の給電可能範囲を拡張するために、複数の共振器を多段結合する試みがなされている。しかし、一般にn個の共振器を多段結合した場合にはn個の共振点が生じ、最大効率で伝送できる周波数が一定にならないという課題がある。多数の共振器を系に導入すると、伝送効率がピークとなる周波数は、例えば図28(A)のように共振器の数だけ分裂してしまう。このような場合、最大の伝送効率で伝送するためには、そのピークとなる周波数を選択しなければならず、共振器間での動的なインピーダンスマッチングがシステムに求められてしまう。
[C−2−1]伝送効率
磁界共振結合の説明に必要な伝送効率について定義する。以下において、伝送効率は図21のような4端子回路におけるSパラメータのS21[dB]とする。図21の4端子回路において入射波a1、a2と反射波b1、b2が存在する場合にそれらの関係をSパラメータで表現すると
磁界共振結合による無線電力伝送は図22のようなLCR直列共振回路を等価回路としたモデルによって表現することができる。このような等価回路モデルにおけるR,L,Cの値をコイルのインピーダンスを測定することによって導出する。
図25はn段の通過域内最平坦型BPFのKインバータによる表現である。RA,RB,Li,Ci(i=1,2,・・・n)が与えられた場合に、各Kインバータの満たすべき条件は以下のように導出することができる。
上記Kインバータによる通過域内最平坦型BPFをKインバータの特性を利用しn段に多段化された直結型磁界共振結合による無線電力伝送の等価回路へ変換し、各回路パラメータを比較することでBPFにするための理論的条件を導出し、多段化設計法について詳細に説明する。
導出した多段化設計法を実環境にて評価する。多段化設計法に用いるLとCは上記導出した値を用いる。
多段化設計が実際の磁界共振結合による無線電力伝送に適用できるがどうか確認するために、コイル(ヘリカルコイルであって、半径15cm、ピッチ5mm、5巻でその中央に給電部があり、共振周波数は17MHzである)を用い、このコイルを図28に示すように4段同一平面上に直線状に並べ、その伝送効率をS21パラメータで測定することで評価実験を行う。このコイルを同一平面上で直線状に配置して、コイル間の距離を調整することでコイル間の結合係数が多段化設計法によって得られる値になるようにする。また、当然ながらこのような配置ではなく他の研究でよく用いられるコイルを縦に対向状に並べる構成においてもこの設計法は用いることができる。配置する個数としては4個の場合において設計を行った。多段化設計に用いる各パラメータは導出したコイルの等価回路値L=8.57μH、C=10.46pFを用いる。よって表1を参照し、4個のコイルを用いる場合の各コイル間の結合係数は、k1=0.0356、k2=0.0229、k3=0.0356と設計することができる。
前節にて導出した各コイル間の結合係数を実際のコイルで実現するためには、その結合係数を実現するコイル間距離を求めなければならない。このコイル間距離は、コイル間距離と結合係数の関係の実測もしくはノイマンの公式などを用いた理論値の導出によって得ることができる。ここでは、実測により得られた図24のコイル間の距離と結合係数との関係のグラフを用い、ある結合係数となるコイル間の距離を求めていく。また、図28に示すようにi番目のコイルとi+1番目のコイルの間の距離をdiと定義する。結合係数k1=0.0356、k2=0.0229、k3=0.0356は図24を用いて距離にするとd1=31.4cm、d2=31.6cm、d3=31.4cmとなる。
多段化設計法によるコイル間の距離とした場合、コイルを近接させて配置した場合(d1=d2=d3=30cm)、それぞれについて、VNAにて伝送効率を測定した。まず、各コイルを近接して配置した場合の伝送効率は図28(A)である。4つのコイルを用いているために共振点が4つに分割していることがわかる。多段化設計法による結果が図28(B)である。この図からわかるように、多段化設計により伝送効率をBPFのように平坦にすることが可能であることが実証された。
コイルを格子状に配置した場合は、結合係数の数が増えるので、異なるBPFを適用する必要がある。共振器を直線状に配置した場合のBPFは上述のように通過域内最平坦型のフィルタであったが、共振器を格子配置した場合には楕円関数型のBPFにすることができる。図30のように共振器をカノニカル結合した場合に、各相互インダクタンスを調整することで楕円関数型のBPFを生成することができる。
20 第1素子以外の素子
200 スイッチ
201 スイッチ制御部
20A 第2素子
30 受電アンテナ
Claims (18)
- 電力供給源と、
隣接する共鳴素子間で共鳴可能なように面方向に配置された3個以上の共鳴素子からなる共鳴素子群と、
制御部と、を備え、
前記共鳴素子群は、電力供給源から電力を受け取る第1素子と、電力供給対象に電力を供給する第2素子と、を含んでおり、
前記制御部は、前記第1素子、前記第2素子の位置に基づいて、前記共鳴素子群における共鳴素子を選択的に共鳴させることで、前記第1素子及び前記第2素子を除く共鳴素子の少なくとも一部を中継素子として動作させて、当該中継素子により前記第1素子から前記第2素子への電力伝送経路を形成する、
無線電力伝送装置。 - 前記共鳴素子群において、少なくとも第1素子を除く各共鳴素子は、前記制御部からの指令により導通・非導通に切り替え可能に構成されており、
前記制御部は、共鳴素子を選択的に導通・非導通させることで所定の共鳴素子を中継素子として動作させて前記電力伝送経路を形成する、
請求項1に記載の無線電力伝送装置。 - 前記共鳴素子群において、前記第1素子の位置は予め決まっており、前記第2素子は、電力供給対象の位置に対応して、前記第1素子以外の共鳴素子から任意に選択される、請求項1、2いずれかに記載の無線電力伝送装置。
- 前記共鳴素子群において、少なくとも第1素子を除く各共鳴素子は、当該共鳴素子上に電力供給対象が配置されたことを検知する手段と、前記検知手段による検知信号を無線で前記制御部に送信する送信手段と、を備えている、請求項1〜3いずれかに記載の無線電力伝送装置。
- 前記制御部は、前記第1素子、前記第2素子の位置に基づいて各共鳴素子の導通・非導通を判定する手段を備えている、請求項1〜4いずれかに記載の無線電力伝送装置。
- 前記制御部は、各共鳴素子のIDと位置情報との対応テーブルを備えている、請求項1〜5いずれかに記載の無線電力伝送装置。
- 前記制御部は、前記第1素子以外の各共鳴素子に夫々設けられた複数のローカル制御部を含んでおり、
各ローカル制御部には、各共鳴素子のIDと位置情報との対応テーブルと、前記第2素子の位置に基づいて当該ローカル制御部が設けられた共鳴素子の導通・非導通を判定する手段と、判定結果に基づいて当該ローカル制御部が設けられた共鳴素子を導通あるいは非導通とする手段と、を備えている、請求項1〜6いずれかに記載の無線電力伝送装置。 - 前記第1素子以外の各共鳴素子は、データを無線で送受信可能な無線通信手段を備えている、請求項1〜7いずれかに記載の無線電力伝送装置。
- 前記第1素子は、データを無線で送受信可能な無線通信手段を備えている、請求項8に記載の無線電力伝送装置。
- 各共鳴素子は、面部と側部を備えた板状体であり、側部が互いに隣接するように面方向に配置されている、請求項1〜9いずれかに記載の無線電力伝送装置。
- 前記共鳴素子群は、格子状に配置された複数の共鳴素子を含んでいる、請求項10に記載の無線電力伝送装置。
- 前記制御部は、前記第1素子と前記第2素子とを対角点とする方形が形成できる場合には、当該方形内にある素子の全部または一部を中継素子として動作させ、前記第1素子と前記第2素子とを対角点とする方形が形成できない場合には、前記第1素子と前記第2素子を結ぶ最短直線上に位置する素子のみを中継素子として動作させる、請求項11に記載の無線電力伝送装置。
- 前記共鳴素子群は、0個以上の分岐を備えた線状に配置された複数の共鳴素子を含んでおり、
前記制御部は、前記第1素子と前記第2素子を結ぶ最短直線上に位置する素子のみを中継素子として動作させる、請求項12に記載の無線電力伝送装置。 - 前記共鳴素子群の共鳴素子の少なくとも一部は、室内空間の床面および/あるいは壁面および/あるいは天井面に沿って敷設されている、請求項1〜13いずれかに記載の無線電力伝送装置。
- 各共鳴素子は、そのインダクタンスL、キャパシタンスCによる自己共振周波数を持つ共振器であり、前記電力伝送経路を形成する複数の共鳴素子は、隣接する各素子間の結合係数によって共振結合されており、
前記電力伝送経路を形成する複数の共鳴素子を、中心周波数が共振器の自己共振周波数付近である複数の共振器の結合によるBPF(帯域通過フィルタ)とみなし、
前記BPFの周波数特性を満たすように、前記電力伝送経路を形成する複数の共鳴素子の各素子間の結合係数、前記電力伝送経路を形成する複数の共鳴素子の各素子のインダクタンスLおよび/またはキャパシタンスC、のいずれか一方あるいは両方が設定されている、請求項1に記載の無線電力伝送装置。 - 前記結合係数は、各素子間の距離によって設定される、請求項15に記載の無線電力伝送装置。
- 前記電力伝送経路を形成する複数の共鳴素子は線状に配置されており、前記BPFは通過域内最平坦型のBPFである、請求項15、16いずれかに記載の無線電力伝送装置。
- 前記電力伝送経路を形成する複数の共鳴素子は格子状に配置されており、前記BPFは楕円関数型のBPFである、請求項15、16いずれかに記載の無線電力伝送装置。
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