JP2015139276A

JP2015139276A - 給電シート及び給電システム

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Publication number: JP2015139276A
Application number: JP2014009264A
Authority: JP
Inventors: 張　兵; Bing Zhang; 兵張; 松田　隆志; Takashi Matsuda; 隆志松田; 三浦　龍; Ryu Miura; 龍三浦
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2015-07-30

Abstract

【課題】電磁波の距離減衰による損失や定常波による給電不能箇所の発生を抑え、高い電力伝送効率を実現することのできる給電システムを提供する。
【解決手段】非導電性の素材により形成されるシート状の誘電層２１と、誘電層２１の一面側に形成されるメッシュ状の表面メッシュ導電層２２と、誘電層２１の他面側に形成されるメッシュ状の裏面メッシュ導電層２３と、を有する給電シート９と、導電シート９の一面側に当接する給電カプラ２４と、導電シート９の他面側に当接する受電カプラ３と、を備える給電システム１。
【選択図】図２

Description

本発明は、ワイヤレス給電に用いる給電シート及び給電システムに関するものである。

従来から、電子機器等に用いられる蓄電池への給電をワイヤレスで行うための様々な方法が採用されている。

こうしたワイヤレス式の給電方法として、例えば、電磁誘導方式、電磁共鳴方式及び電磁波送電方式等の方式がある。

電磁誘導方式は、電力伝送効率は高いものの、給電を行いうる給電システムに対する給電対象の位置が厳密に規定されていて、その位置から僅かにでもずれると給電を行えないという問題があった。また、給電システムの設置には高いコストを要し、設置作業に多くの労力を要していた。更に、電磁波の漏洩が大きく、人体への悪影響が懸念されていた。

また、電磁共鳴方式も、電力伝送効率は高いものの、同様に給電システムと給電対象との位置ずれに対する許容度が低く、電磁波の漏洩も大きいという問題があった。また、この方式でも、給電システムの設置には高いコストを要し、設置作業に多くの労力を要していた。

また、電磁波送電方式は、給電システムと給電対象の位置ずれに対する許容度は高いものの、電力伝送効率が低く、電磁波の漏洩も大きいという問題があった。また、この方式でも、給電システムの設置には高いコストを要し、設置作業に多くの労力を要していた。

そこで、こうした問題に対応するため、非特許文献１に記載されているように、給電シートを用いるワイヤレス式の給電方法が提案されていた。

この給電方法では、電磁波伝播媒体である給電シートの側面に電極を取り付けるか、あるいは給電対象が載置される給電シートの表面にカプラを配置して、これらの電極又はカプラからシートに電磁波を供給することで給電を行う。

こうした給電シートを用いた給電方式は、給電システムと給電対象との位置ずれによる影響が上述した従来のワイヤレス給電方式よりも少なく、電磁波の漏洩も極めて少なく、かつ、給電システムの設置を低コストでかつ容易に行うことができるという有利な特徴があった。

Naoshi Yamahira, Yastoshi Makino, Hiroto Itai, and Hiroyuki Shinoda, "Proximity Connection in Two-Dimensional Signal Transmission," SICE-ICASE International Joint Conference, Busan, Korea, Oct. 18-21, 2006.

ところで、給電シート側面に電極を取り付けて給電を行う場合、電極の取り付けに要する部分については電磁波の伝播媒体として機能させることができないという問題があった。

また、給電対象が載置される側の給電シートの表面にカプラを配置して給電を行う場合、給電対象との距離によっては、電磁波の距離減衰による損失や、定在波による給電不能箇所の発生等の問題が生じていた。

更に、給電シートを用いた給電方式においても、更なる電力伝送効率の向上も望まれていた。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、表面をもれなく給電に利用でき、電磁波の距離減衰による損失や定常波による給電不能箇所の発生を抑え、高い電力伝送効率を実現することの出来る給電シート及びそれを用いた給電システムを提供することを目的とする。

本発明者は、上述した課題を解決するために、表面をもれなく給電に利用でき、電磁波の距離減衰による損失や定常波による給電不能箇所の発生を抑え、高い電力伝送効率を実現することの出来る給電シート及びそれを用いた給電システムを発明した。

第１発明に係る給電シートは、非導電性の素材により形成されるシート状の誘電層と、前記誘電層の一面側に形成されるメッシュ状のパターンを有する導電材である表面メッシュ導電層と、前記誘電層の他面側に形成されるメッシュ状のパターンを有する導電材である裏面メッシュ導電層と、を備えていることを特徴とする。

第２発明に係る給電シートは、第１発明に係る給電シートにおいて、前記表面メッシュ導電層と前記裏面メッシュ導電層とは金属からなり、前記メッシュ状の導電材に形成されている複数の開口部はそれぞれ正方形の形状を有し、かつ互いの間隔は給電シートの下界における電磁波長よりも短い間隔で配置されていることを特徴とする。

第３発明に係る給電シートは、第１又は第２発明の何れか１つに係る給電シートにおいて、前記表面メッシュ導電層と前記裏面メッシュ導電層の前記誘電層と接している表面とは反対側の表面側に、それぞれ樹脂よりなる保護層が形成されていることを特徴とする。

第４発明に係る給電システムは、第１乃至第３発明の何れか１つに係る導電シートと、前記導電シートの一面側に当接する給電カプラと、前記導電シートの他面側に当接する受電カプラと、を備えることを特徴とする。

第５発明に係る給電システムは、第４発明に係る給電システムにおいて、前記給電シートの平面視において、前記給電カプラと前記受電カプラとの位置が重なり合っていることを特徴とする。

上述した構成からなる本発明に係る給電シート及び給電システムによれば、表面をもれなく給電に利用でき、電磁波の距離減衰による損失や定常波による給電不能箇所の発生を抑え、高い電力伝送効率を実現することができる。

本実施形態に係る給電システムの概要を示す図である。給電器の構成を示す模式図である。誘電層と、誘電層の上下面にそれぞれ設けられた表面メッシュ導電層及び裏面メッシュ導電層を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る給電システムで用いられる受電カプラと給電カプラの概略断面図である。給電器から受電カプラに電源供給が行われる様子を示す概略断面図である。受電カプラと給電カプラの配置例を示す模式図である。図６の配置による伝送効率の変化を示すグラフである。受電カプラと給電カプラの別の配置例を示す模式図である。図８の配置による伝送効率の変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る給電システムについて詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る給電システム１の概要を示す図である。本実施形態に係る給電システム１は、地面Ｇに載置されたシート状の給電器２と、本実施形態における給電対象であり給電器２上に位置する電気自動車Ｖに設けられている受電カプラ３と、を備えて構成されている。

電気自動車Ｖは、内蔵するバッテリに充電されている電気を用いて駆動するため、バッテリの電源の消耗に伴いバッテリを充電する必要が生じる。給電システム１は、こうしたバッテリの充電に用いられるシステムであり、充電時には電気自動車Ｖの車体下部に設けられた受電カプラ３が駆動手段により降下され、給電器２と接触することで接触式の無線充電が行われる。

図２は、給電器２の構成を示す模式図である。給電器２は、誘電層２１と、誘電層の上下面にそれぞれ設けられた表面メッシュ導電層２２及び裏面メッシュ導電層２３と、表面メッシュ誘電層２２の表面を覆う表面保護層２５と、裏面メッシュ導電層２３の下面に当接している複数の給電カプラ２４と、裏面メッシュ誘電層２３及び給電カプラ２４を覆うように形成されている裏面保護層２６と、を備えて構成されている。

図３は、誘電層２１と、誘電層の上下面にそれぞれ設けられた表面メッシュ導電層２２及び裏面メッシュ導電層２３を示す斜視図である。なお、以下の実施形態において、誘電層２１、表面メッシュ導電層２２及び裏面メッシュ導電層２３を合わせて給電シート９という。

誘電層２１は、厚みがほぼ一定であるプラスチック又は発泡材からなり、シート状の形状を有する。

表面メッシュ導電層２２及び裏面メッシュ導電層２３は、それぞれ金属からなり、誘電層２１の表面及び裏面にそれぞれメッシュ状に形成される導電性の部材である。メッシュ状の表面メッシュ導電層２２及び裏面メッシュ導電層２３の開口パターンの形状は正方形であり、各開口パターンは、給電器２の外界における電磁波長よりも短い間隔となるよう配置されている。

表面メッシュ導電層２２及び裏面メッシュ導電層２３は、外界とシート状の誘電層２１との相互電磁結合を弱める働きをするので、外界と誘電層２１との電磁結合が十分に弱いと仮定すると、シート状の誘電層２１の内部では、電磁波は、１／（με）^1/2で伝搬する。この場合、μは、誘電層２１の透磁率であり、εは誘電層２１の誘電率である。

また、表面メッシュ導電層２２及び裏面メッシュ導電層２３の開口パターンは、給電器２の外界における電磁波長よりも短い間隔で配置されているので、各開口部から漏れ出すエバネッセント波も、電磁波長よりも短い空間周期で電磁波位相が変化し、遠方まで伝搬する波動とならない。

この場合の減衰係数は、ｅｘｐ（−（ε／ε₀−１）^1/2（ω／ｃ）ｚ）となる。ここで、ε₀は外界の誘電率であり、ωは信号の角周波数であり、ｃは外界における光速であり、ｚは誘電層２１の面からの距離である。

したがって、εがそれほど大きくなくても、誘電層２１の厚い膜厚に対して、エバネッセント波のしみ出し領域を波長程度まで小さくすることができ、電磁波の漏えいを効果的に防止することができる。

図４は、本発明の実施形態に係る給電システム１で用いられる受電カプラ３と給電カプラ２４の概略断面図である。受電カプラ３及び給電カプラ２４は、上面に図４の奥行方向に伸長するスリット３６が形成されている外部コンダクタ３１（２４１）と、外部コンダクタ３１（２４１）のスリット３６（２４６）に同軸ケーブル３５を刺し通すように設けられたＳＭＡ（Sub Miniature Type A）コネクタ３４（２４４）と、外部コンダクタ３１（２４１）の内部に設けられた内部コンダクタパッチ３２（２４２）と、内部コンダクタパッチ３２（２４２）の下面側に設けられたコンダクタパッチ３３（２４３）と、を備えて構成されている。

外部コンダクタ３１（２４１）は、上面が覆された樹脂板により形成されるとともに、側面がリン青銅で形成されていて、全体的な形状は下面が解放された箱状となっている部材である。外部コンダクタ３１（２４１）の上側内壁には導波リング共振器−同軸ケーブル３５間の接続に用いられるスリット３６（２４６）が形成されている。

ＳＭＡコネクタ３４（２４４）は、高周波機器で用いられている一般的な同軸コネクタである。

内部コンダクタパッチ３２（２４２）は、外部コンダクタ３１（２４１）の内部に詰められている発泡スチロール等よりなり、誘電率が１〜１．１となる部材である。

コンダクタパッチ３３（２４３）は、銅箔で形成されている板状の部材である。

表面保護層２５及び裏面保護層２６は、塩化ビニル等の樹脂よりなる層である。

次に、上述した構成を有する給電システム１において受電カプラ３が給電器２から電源供給を受ける様子について説明する。

図５は、給電器２から受電カプラ３に電源供給が行われる様子を示す概略断面図である。図５において、Ｎ１とＮ２はそれぞれ磁場ノードを、Ｆ１及びＦ２はそれぞれカップリング領域を示している。

受電カプラ３が電気自動車Ｖの車体下部から降下され、給電器２の表面保護層２５に接触すると、給電器２の表面メッシュ導電層２２のメッシュ状の表面により励起される平面導波路リング共振器が形成される。

このとき、受電カプラ３の端部における境界条件は高インピーダンスの開口部となっていて、λ／４チョークと同様になっている。

こうして給電器２から受電カプラ３への給電が行われる。本実施形態においては、この受電カプラ３を通じて供給された電源により、電気自動車Ｖの図示しないバッテリの充電が行われる。

次に、給電システム１における受電カプラ３と給電カプラ２４の相対的な位置に応じた伝送効率の変化について説明する。図６は、受電カプラ３と給電カプラ２４の配置例を示す模式図であり、図７は、図６の配置による伝送効率の変化を示すグラフである。図７において、縦軸はＳ２１特性（ｄＢ）を示し、横軸は受信カプラ３と給電カプラ２４の位置のずれ（ｃｍ）を示している。

図６に示す配置例では、同一の形状を有する長板状の受電カプラ３と給電カプラ２４が、ＳＭＡコネクタ３４（２４４）が設けられている長手方向端部を同一方向に向け平面視で重ねあわされた状態を、横手方向及び長手方向の移動が０の状態としている。図７に示すように、この状態でＳ２１特性は最大の−５．０ｄＢ程度となっている。

そして、受電カプラ３と給電カプラ２４の相対的な位置を、横手方向及び長手方向にずらしていくと、図７に示すように、Ｓ２１特性は−２０ｄＢ程度まで低下する。

また、図８は、受電カプラ３と給電カプラ２４の別の配置例を示す模式図であり、図９は、図８の配置による伝送効率の変化を示すグラフである。図９においても、縦軸はＳ２１特性（ｄＢ）を示し、横軸は受電カプラ３と給電カプラ２４の位置のずれ（ｃｍ）を示している。

図８に示す配置例では、受電カプラ３と給電カプラ２４が図６と同一の長板状の形状を有している点は共通しているが、ＳＭＡコネクタ３４（２４４）が設けられている長手方向端部を反対方向に向けて重ねあわされている状態を、横手方向及び長手方向の移動が０の状態としている。図９に示すように、この状態でＳ２１特性は最大の−２．５ｄＢ程度となっている。

そして、受電カプラ３と給電カプラ２４の相対的な位置を、横手方向及び長手方向にずらしていくと、図９に示すように、Ｓ２１特性は次第に低下していく。

このように、受電カプラ３と給電カプラ２４とが、平面視で互いに重なり合うように配置された状態において、最も高い伝送効率を実現することができる。また、平面視で重なり合った状態で、更にＳＭＡコネクタ３４（２４４）を反対方向に向けた場合、更に高い伝送効率を実現することができる。

これは、受電カプラ３と給電カプラ２４の大きさや形状が異なる場合においても当てはまる。すなわち、平面視において互いに重なり合う面積が大きければ大きいほど高い伝送効率を実現することができ、また、ＳＭＡコネクタ３４（２４４）が互いに離れた位置にあると更に高い伝送効率を実現することができる。

上述した実施形態に係る給電システム１によると、両面が給電と受電に用いることのできる給電シート９を用いるため、給電シートの側面に端子を設ける必要がなく、給電シート９の表面をもれなく給電に利用できる。そのため、電磁波の距離減衰による損失や定常波による給電不能箇所の発生を抑え、高い電力伝送効率を実現することができる。

なお、上述した実施形態に係る給電システム１では、給電対象として電気自動車Ｖを想定し、給電システム１のサイズも電気自動車Ｖを載置可能な大きさとなっている。しかし、本発明においてはこれに限らず、給電対象は携帯電話やパーソナルコンピュータ等の家電製品を含む、バッテリを電源として駆動する各種機器であってもよく、給電システム１のサイズも、各給電対象に合うサイズを適宜選択することができる。

１給電システム
２給電器
３受電カプラ
２１誘電層
２２表面メッシュ導電層
２３裏面メッシュ導電層
２４給電カプラ
２５表面保護層
２６裏面保護層
３１、２４１外部コンダクタ３１
３２、２４２内部コンダクタパッチ
３３、２４３コンダクタパッチ
３４、２４４ＳＭＡコネクタ
３５、２４５同軸ケーブル
３６、２４６スリット
Ｖ電気自動車
Ｇ地面

Claims

非導電性の素材により形成されるシート状の誘電層と、
前記誘電層の一面側に形成されるメッシュ状のパターンを有する導電材である表面メッシュ導電層と、
前記誘電層の他面側に形成されるメッシュ状のパターンを有する導電材である裏面メッシュ導電層と、
を備えていることを特徴とする給電シート。
前記表面メッシュ導電層と前記裏面メッシュ導電層とは金属からなり、前記メッシュ状の導電材に形成されている複数の開口部はそれぞれ正方形の形状を有し、かつ互いの間隔は給電シートの下界における電磁波長よりも短い間隔で配置されていることを特徴とする請求項１記載の給電シート。
前記表面メッシュ導電層と前記裏面メッシュ導電層の前記誘電層と接している表面とは反対側の表面側に、それぞれ樹脂よりなる保護層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の給電シート。
請求項１乃至３の何れか１項記載の導電シートと、
前記導電シートの一面側に当接する給電カプラと、
前記導電シートの他面側に当接する受電カプラと、
を備えることを特徴とする給電システム。
前記給電シートの平面視において、前記給電カプラと前記受電カプラとの位置が重なり合っていることを特徴とする請求項４記載の給電システム。