JP2014183622A - ワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】受電側の部品点数を削減することが可能なワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムを提供することを目的としている。
【解決手段】給電装置と受電装置からなり、給電装置から受電装置に電力を供給するワイヤレス給電システムによるワイヤレス給電方法であって、前記給電装置は、高周波発振器を有する交流電源と、前記高周波発振器に接続された共振回路と、前記共振回路に接続されており、１００ｋＨｚにおける比誘電率が５以上である伝送シートが設けられた送電電極と、を有し、前記受電装置へ電力を供給する。
【選択図】図４

Description

本発明は、受電装置に電力を供給するワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムに関する。

近年では、充放電可能な二次電池等により駆動される携帯端末が普及している。また近年ではさらに、環境問題やエネルギー資源の問題を鑑み、電池やキャパシタ等の蓄電装置を搭載した電気自動車等の電気エネルギーを用いた交通手段の研究開発が行われている。

このような機器の電池に対する給電方式として、金属接点や金属コネクタなどを用いない無接点方式で、相互誘導を利用して給電を行うワイヤレス給電方式が注目されている。

ワイヤレス給電方式の一つとして、電界結合方式がある。電界結合方式は、ＬＣ共振現象を用いて静電容量を持つ結合部に電流を流して受電装置に電力を供給する方式であり、直列共振を用いる場合と並列共振を用いる場合とがある。

電界結合方式において直列共振を用いた場合、発振周波数又はインダクタンスを調整し、共振条件を維持する。電界結合方式において並列共振を用いた場合、接合容量が共振回路に含まれないため、接合容量が変化しても共振回路の周波数に与える影響は少なくなる。

図１は、並列共振を用いた従来のワイヤレス給電システムの例を示す図である。図１に示すワイヤレス給電システム１０は、給電装置２０と受電装置３０を有する。給電装置２０は、交流電源２１と、コイルＬ１と並列共振回路２２と、送電電極（以下、電界結合方式における送電部材を送電電極と略す）２３、２４とを有する。受電装置３０は、並列共振回路３１と、負荷３２と、受電電極（以下、電界結合方式における受電部材を受電電極と略す）３３、３４とを有する。

ワイヤレス給電システム１０では、送信電極２３、２４と受電電極３３、３４とが近接すると、両電極間に生じる電界により送電装置２０から受電装置３０へ電力が供給される。

特開２０１０−１４８２８７号公報 特開２０１０−１９３６９２号公報 特開２０１０−２１３５５４号公報 特許第４９６２５６０号公報

電界結合方式において並列共振を用いる場合、給電効率を上げるためには送電側と受電側のそれぞれに同調点を有する共振回路を設ける必要がある。すなわち並列共振を用いる場合には、受電側となる機器にも共振回路を設けなければならず、受電側の機器の部品点数が多くなり、受電側の小型化に支障をきたす虞がある。また共振回路におけるコイルの損失が生じる等の問題があった。

本発明は、上記事情を鑑みてこれらを解決すべく成されたものであり、受電側の部品点数を削減することが可能なワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムを提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成すべく、以下の如き構成を採用した。

本発明は、給電装置と受電装置からなり、給電装置から受電装置に電力を供給するワイヤレス給電システムによるワイヤレス給電方法であって、前記給電装置は、高周波発振器を有する交流電源と、前記高周波発振器に接続された共振回路と、前記共振回路に接続されており、高分子材料をマトリックスとした複合材料からなる１００ｋＨｚにおける誘電率が５以上である伝送シートが設けられた送電電極と、を有し、前記受電装置は受電電極を有し、前記受電電極が前記送電電極とが対向して伝送シートを介して配置されたとき、前記給電装置から前記受電装置へ電力を供給する。

本発明によれば、受電側の部品点数を削減することができる。

並列共振を用いた従来のワイヤレス給電システムの例を示す図である。 本実施形態のワイヤレス給電システムの概要を説明する図である。 ワイヤレス給電システムに含まれる各装置の構成を説明する図である。 送電部と受電電極を説明する図である。 共振回路の周波数特性を示す図である。 送電電極と受電電極の位置関係を説明する図である。

本発明は、ワイヤレス給電システムであり、給電装置の送電電極に高分子材料等からなる１００ｋＨｚにおける誘電率が５以上である伝送シートを設けることにより、受電装置に共振回路を設けずに十分な電力を受電装置へ給電する。本発明における高周波とは、１００ｋＨｚ以上の周波数のことをいう。

以下に図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
ただし、この形態に限定するものではない。図２は、本実施形態のワイヤレス給電システムの概要を説明する図である。

本実施例のワイヤレス給電システム１００は、給電装置２００と受電装置３００とを含む。本実施形態のワイヤレス給電システム１００では、電界結合方式により給電装置２００から受電装置３００へ電力を供給する。具体的には給電装置２００は、後述する伝送シート５００を有し、伝送シート５００を介して受電装置３００へ電力を供給する。

電界結合方式とは、非接触電力伝送において用いられる方式の一種で、送電側と受電側にそれぞれ電極を設置し、電極が近接したときに発生する「電界」を利用してエネルギーを伝送する技術のことである。

図３は、ワイヤレス給電システムに含まれる各装置の構成を説明する図である。

本実施形態の給電装置２００は、交流電源２１０、共振回路２２０、送電部２３０、２３１、伝送シート５００を有する。本実施形態の給電装置２００では、交流電源２１０から共振回路２２０に交流電流が供給される。共振回路２２０は、送電部２３０、２３１に接続されている。

本実施形態の交流電源２１０は、高周波発振器２１１と、コイルＬ１１とを有する。高周波発振器２１１は、例えば周波数が１００ｋＨｚ以上の高周波の交流電流を出力する。コイルＬ１１は、高周波発振器２１１と接続されており、高周波発振器２１１から出力された交流電流が印加される。送電部２３０、２３１の詳細は後述する。

本実施形態の共振回路２２０は、コイルＬ１２と、コンデンサＣ１２とが並列に接続された並列共振回路である。本実施形態のコイルＬ１２の一端はコンデンサＣ１２の一端と接続されており、コイルＬ１２の他端はコンデンサＣ１２の他端と接続されている。また本実施形態のコンデンサＣ１２の一端は送電部２３０と接続されており、コンデンサＣ１２の他端は送電部２３１と接続されている。

本実施形態の受電装置３００は、整流回路３２０と、負荷３２１と、受電電極３１０、３１１と、コイルＬ１３とを有する。

本実施形態の受電装置３００では、受電電極３１０、３１１が送電部２４０、２４１に近接することにより生じる交流電圧を、整流回路３２０により整流して負荷３２１へ供給しても良い。

本実施形態のコイルＬ１３は、給電装置２００から受電装置３００に供給された電力が、給電装置２００側に反射されるのを防ぐ反射防止フィルタである。本実施形態では、コイルＬ１３は受電電極３１０側に設けられているが、受電電極３１１側に設けられてもよく、受電電極３１０側、受電電極３１１側両方に設けられても構わない。尚本実施形態では、コイルＬ１３は受電装置３００が有する構成としたが、これに限定されない。反射防止フィルタの機能を果たすコイルＬ１３は、例えば給電装置２００に設けられていても良い。また反射防止フィルタの役割を果たす素子は、コンデンサであっても良い。

以下に図４を参照して本実施形態の送電部２３０、２３１と受電電極３１０、３１１について説明する。図４は、送電部と受電電極を説明する図である。

本実施形態の給電装置２００において、送電部２３０は、送電電極２４０、伝送シート５００Ａを有する。また本実施形態の送電部２３１は、送電電極２４１、伝送シート５００Ｂを有する。尚図４に示す伝送シート５００Ａ、５００Ｂは、送電部２３０、２３１のそれぞれと対応するように分割されているものとしたが、これに限定されない。本実施形態の伝送シート５００は、例えば図２、図３に示すように伝送シート５００は分割されておらず、送電部２３０、２３１により共有されていても良い。

本実施形態の送電電極２４０、２４１は、例えば金、銀、銅、アルミ等の金属電極でありコスト面等から銅、アルミが好適である。また、これらの材料であれば、板、フィルム、蒸着、メッキ等で形成することができる。厚みに制限はないが、例えば、１０ｎｍ以下のアルミ蒸着膜の場合は、電流量が大きい場合送電効率が低く好適ではない。一方、厚さが５.０ｍｍを超えるような材料を使用した場合は重くなり好適ではない。

本実施形態の伝送シート５００Ａ，５００Ｂは、高分子材料をマトリックスとした複合材料からなり、１００ｋＨｚにおける比誘電率が５以上である。
高分子材料は特に制限はないが、ポリイミド、シリコーン樹脂、フッ素ポリマー、ポリウレタン、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、エポキシ樹脂、ナイロン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリスチレン、ポリ乳酸、種々のエンジニアリングプラスチック、天然ゴム（ＮＲ）、合成ゴムなどが好ましく、天然ゴムおよび合成ゴムであることがより好ましい。合成ゴムの例としては、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム、アクリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、フッ素ゴム、エチレン酢酸ビニルゴム、およびエピクロロヒドリンゴム（ＥＣＯ）が挙げられ、好ましくはエチレン・プロピレンゴム、ブチルゴムおよびニトリルゴムである。これら高分子材料は１種単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
高い比誘電率の複合材料の作成を得るために、高分子材料からなるマトリクス中に導電性フィラーを含有させて得ることができる。導電性フィラーとしては例えば、金、銀、銅、アルミなどの金属粒子(紛体を含む)および繊維状物、炭素材料、導電性セラミックなどが挙げられ、好ましくは炭素材料と金属材料である。炭素材料の例としては、黒鉛、アセチレンブラックおよびケッチェンブラックなどの導電性カーボンブラック；フラーレン；カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、グラフェンおよび気相成長炭素繊維などの炭素繊維が挙げられ、好ましくは炭素繊維である。
高分子材料からなるマトリクスに導電性フィラーを含有させる方法には特に制限はなく、機械的な混練や高分子材料溶液を調整して混合し、溶剤を蒸散させてもよい。溶液における混合を行う場合には、機械式ホモジナイザーなどを用いることが効果的であり、特に超音波ホモジナイザーが好ましい。
導電性フィラーの混合量は、複合材料が導電性を示さない程度に混合方法と併せて調整することができる。複合材料が導電性を示さない限り、導電性フィラーの混合量を多くすると、複合材料の比誘電率を大きくすることができる。
このような複合材料を成形して比誘電率５以上の伝送シートを得る。成形の方法には圧縮成形を好適に用いることができる。

以下に本実施形態における伝送シート５００Ａの比誘電率の求め方について説明する。本実施形態では、測定装置をアジレント社製の４１９２Ａとし、電極を銅（金メッキ；５．０ｃｍ×５．０ｃｍ×１ｍｍ）、測定時の室内の温度を２５℃、湿度を６０％とし、電極に挟んだ伝送シート５００Ａの１００ｋＨｚでの静電容量を測定した。そして本実施形態では、測定した静電容量を以下に示す式（１）にあてはめて伝送シートの比誘電率を計算した。

比誘電率ε＝εｓ×ε０＝Ｃ×Ｌ／Ｓ 式（１）
尚式（１）において、Ｃは伝送シート５００Ａの静電容量、Ｓは送電電極２４０の面積（受電電極３３０の面積と同じ）、Ｌは送信電極２４０から受電電極３３０までの距離、ε０は真空の誘電率であり８．８５×１０^−１２、εｓは伝送シートの誘電率である。尚伝送シート５００Ｂについても同様の方法で比誘電率を計算した。

本実施形態の給電装置２００では、この伝送シート５００Ａ，５００Ｂを送電部２３０、２３１に設けることにより、受電装置３００に共振回路を設けずとも、十分な電力を受電装置３００へ供給できる。

本実施形態の受電装置３００は、例えば二次電池等が搭載された携帯端末等であり、給電装置２００により電力が供給される装置である。本実施形態の受電装置３００の受電部は、受電電極３３０、３３１を有する。本実施形態の受電電極３３０、３３１は、例えば厚さ１．０ｍｍの銅電極である。本実施形態の負荷３２０は、例えば携帯端末に搭載された回路等であっても良いし、携帯端末に搭載された二次電池等であっても良い。

本実施形態のワイヤレス給電システム１００において、送電部２３０、２３１に受電電極３３０、３３１が近接すると、両電極によりコンデンサが形成される。本実施形態では、給電装置２００に共振回路２２０を設けるだけで良く、受電装置３００の部品点数を削減でき、小型化が可能である。

以下に図５を参照して本実施形態の給電装置２００の有する共振回路２２０について説明する。図５は、共振回路の周波数特性を示す図である。図５では、横軸を共振回路２２０に供給される交流電圧の周波数とし、縦軸を給電装置２００から受電装置３００へ供給する電力としている。

図５の線Ｓ１は、例えば図１に示すワイヤレス給電システム１０における送電側の共振回路２２の周波数特性を示しており、線Ｓ２は図３に示した本実施形態の共振回路２２０の周波数特性を示している。伝送シート５００（５００Ａ、５００Ｂ）には同じ比誘電率４０の伝送シートを用いた。

ワイヤレス給電システム１０においては、給電装置２０と受電装置３０のそれぞれに共振回路２２、３１が設けられている。共振回路２２、３１の両方を用いてＰ１（６．７８ＭＨｚ）をピークとする共振周波数に調節すると、ワイヤレス給電システム１０のＰ１（６．７８ＭＨｚ）をピークとするカーブ（周波数特性）は結合係数の大きさを反映して、急峻なものとなる。
一方で本実施形態となるワイヤレス給電システム１０においては、給電装置２００に設けられた共振回路２２０の結合係数（共振の鋭さ）が、従来のワイヤレス給電システム１０の並列共振回路２２における結合係数と比べて小さくなるよう給電装置に設けた並列共振回路のコンデンサの容量を調節して設計した。

また本実施形態では、線Ｓ２において結合係数を小さくしたため、交流電圧の周波数が同調点（共振回路の共振周波数）Ｐ１（６．７８ＭＨｚ）をピークとするカーブ（周波数特性）が線Ｓ１よりもなだらかになり、給電できる周波数帯域を広くすることができる。逆に、例えば送電電極２４０、２４１と受電電極３３０、３３１の間の静電容量が変化した場合でも、給電装置２００から受電装置３００へ給電できることを示している。

以下に図６を参照して複数の送電電極２５０と受電電極３３０、３３１の位置関係について説明する。

図６は、送電電極と受電電極の位置関係を説明する図である。

図６に示す給電装置２００Ａは、複数の送電電極２５０を有する。送電電極２５０は、コンデンサＣ１２の一端に接続された送電電極２５１、２５３、２５６、２５８と、コンデンサＣ１２の他端に接続された送電電極２５２、２５４、２５５、２５７とを有する。

給電装置２００Ａのように複数の送電電極２５０を有する場合、受電電極３３０、３３１が特定の送電電極と近接するように受電装置３００が配置されるとは限らない。

給電装置２００Ａでは、例えば受電電極３３０、３３１が送電電極２５１、２５５と近接するように受電装置３００が配置される場合や、受電電極３３０、３３１が送電電極２５４、２５８と近接するように受電装置３００が配置される場合等が考えられる。さらに受電装置が複数（図６では最大４個まで）の場合が考えられる。

交流電圧の周波数の同調点は、このように受電電極と送電電極との相対関係（位置、数、静電容量等を含む）が変化すると、両電極間の静電容量の変化により点Ｐ１からずれる。しかし本実施形態の給電装置２００Ａでは、共振回路２２０の結合係数を大きくせず、受電装置３００へ給電可能な周波数帯域を広くしているため、周波数の同調点が点Ｐ１と一致しなくても受電装置３００に給電することができる。

以上のように本実施形態のワイヤレス給電システム１００では、受電側の部品点数を削減することができる。また本実施形態のワイヤレス給電システム１００では、部品点数の削減に伴い、コストを削減することもできる。加えて、受電装置の部品を削減できるので小型化及び軽量化が可能となる。

以上、実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。特に、本明細書では、一例として周波数６．７８ＭＨｚを用いて説明したが、３ＭＨｚ以上の要望される高周波であれば、本実施形態と同様のワイヤレス給電方法及びワイヤレス給電システムを提供することができる。

１００ ワイヤレス給電システム
２００、２００Ａ 給電装置
２１０ 交流電源
２１１ 高周波発振器
２２０ 共振回路
２３０、２３１ 送電部
２４０、２４１、２５０ 送電電極
３１０、３１１ 受電電極
５００ 伝送シート
３００ 受電装置
３３０、３３１ 受電電極

Claims (11)

1. 給電装置と受電装置からなり、給電装置から受電装置に電力を供給するワイヤレス給電システムであって、
   前記受電装置は、
   前記送電電極からの給電を受ける受電電極を有し、
   前記給電装置は、
   前記受電装置へ給電する送電電極を有し、
   前記送電電極は１００ｋＨｚにおける比誘電率が５以上である伝送シートが設けられ、
   前記受電電極と前記送電電極とが対向するよう配置されたとき、前記給電装置から前記受電装置へ電力を供給するワイヤレス給電システム。
2. 前記給電装置は高周波発振器を有する交流電源を有する請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
3. 前記高周波発振器は、周波数が３ＭＨｚ以上の交流電力を出力する請求項１または２に記載のワイヤレス給電システム。
4. 前記高周波発振器は共振回路が接続されている請求項２または３に記載のワイヤレス給電システム。
5. 前記共振回路は、前記送電電極に接続されている請求項４に記載のワイヤレス給電システム。
6. 前記共振回路は、並列共振回路である請求項４または５の何れか一項に記載のワイヤレス給電システム。
7. 前記伝送シートは高分子材料をマトリックスとした複合材料からなる請求項１ないし６の何れか一項に記載のワイヤレス給電システム。
8. 前記給電装置は、
   前記送電電極から複数の前記受電装置に対して同時に給電する請求項１ないし７の何れか一項に記載のワイヤレス給電システム。
9. 前記受電装置は、受電装置単独で受電電極を含む共振回路を有さないものである請求項１ないし８のいずれか一項に記載のワイヤレス給電システム。
10. 前記受電装置は、前記受電装置に供給された電力が前記受電装置から前記給電装置へ反射することを防止するフィルタが設けられている請求項１ないし９の何れか一項に記載のワイヤレス給電システム。
11. 給電装置と受電装置からなり、前記給電装置から前記受電装置に電力を供給するワイヤレス給電方法であって、
    前記受電装置は、
    送電電極からの給電を受ける受電電極を有し、
    前記給電装置は、
    １００ｋＨｚにおける比誘電率が５以上である伝送シートが設けられた送電電極と、
    高周波発振器を有する交流電源と、を有し、
    前記給電装置にのみ共振回路を有する電界結合方式によるワイヤレス給電方法。

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