JP2016010168A - Resonator and wireless power supply system - Google Patents
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Description
本発明は、共振器間の磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する無線給電システムに関する。 The present invention relates to a wireless power feeding system that uses a magnetic field resonance between resonators to transmit electric power from a power transmitting device to a power receiving device in a contactless manner.
従来から、送電装置から受電装置に対して非接触で電力を伝送する無線給電システムが要望されている。無線給電システムを実現するための手法としては、電磁誘導を利用した技術や電磁波を利用した技術などが提案されている。近年、無線給電システムに適用可能な技術として、共振器間の磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に電力を伝送する磁界共鳴方式が注目されている。例えば、特許文献1には、所定距離だけ離して対向配置した2つの共振器の磁場の共鳴により、一方の共振器から他方の共振器に電力を伝送する磁界共鳴方式の基礎的概念が開示されている。また例えば、非特許文献1には、磁界共鳴方式に用いるアンテナとしての共振コイルにおいて高いQ値を実現するための手法が示されている。また例えば、非特許文献2には、磁界共鳴方式において得られる最大の伝送効率に関して理論的な検討がなされており、各々の共振器のQ値を高めることにより伝送効率の向上が可能であることが示されている。また例えば、特許文献2には、無線給電システムの適用対象として電気自動車やプラグインハイブリッド車を想定し、磁界共鳴方式を利用して、車両下部に配設した共振コイルから、車両内に設けた共振コイルに電力を伝送する技術が開示されている。 Conventionally, there is a demand for a wireless power feeding system that transmits power from a power transmission device to a power reception device in a contactless manner. As a technique for realizing a wireless power feeding system, a technique using electromagnetic induction, a technique using electromagnetic waves, and the like have been proposed. In recent years, as a technique applicable to a wireless power feeding system, a magnetic field resonance method in which electric power is transmitted from a power transmission device to a power reception device by using resonance of a magnetic field between resonators has attracted attention. For example, Patent Document 1 discloses a basic concept of a magnetic field resonance method in which electric power is transmitted from one resonator to the other resonator by resonance of magnetic fields of two resonators arranged to face each other at a predetermined distance. ing. Further, for example, Non-Patent Document 1 discloses a method for realizing a high Q value in a resonance coil as an antenna used in a magnetic field resonance method. Further, for example, Non-Patent Document 2 has theoretically studied the maximum transmission efficiency obtained in the magnetic field resonance method, and it is possible to improve the transmission efficiency by increasing the Q value of each resonator. It is shown. Further, for example, in Patent Document 2, an electric vehicle or a plug-in hybrid vehicle is assumed as an application target of a wireless power feeding system, and a magnetic resonance method is used to provide a wireless power feeding system in a vehicle from a resonance coil disposed in a lower portion of the vehicle. A technique for transmitting power to a resonance coil is disclosed.
無線給電システムを実現する上で、共振器が発生する電磁波が周囲の電子機器に電磁妨害(EMI: Electro Magnetic Interference)を与えたり、人体に悪影響を与えるなどの課題がある。無線給電システムにおいて1対の共振器間で電力を伝送する場合、主に特定の放射方向の磁界エネルギーが伝送に寄与するが、アンテナとして機能する共振器は磁界のみならず電界でも共振するので、EMIや人体防護の観点から、漏洩する電界への配慮が求められる。例えば、共振器の筐体となる支持部材の各面に金属シールドを形成することにより、外部に放射される電界を遮蔽する手法も考えられる。しかし、金属シールドは、伝送周波数の波長に応じた密閉性が要求されるとともに、金属加工物に高度な加工・成型技術が要求され、また密閉性を高めるほど金属シールド用の金属材料の容量が増え、それにより共振器の重量が増加するという問題がある。 In realizing a wireless power feeding system, there are problems such as electromagnetic interference generated by the resonator causes electromagnetic interference (EMI: Electro Magnetic Interference) to surrounding electronic devices and adverse effects on the human body. When power is transmitted between a pair of resonators in a wireless power feeding system, magnetic energy in a specific radiation direction mainly contributes to transmission, but a resonator that functions as an antenna resonates not only in a magnetic field but also in an electric field. From the viewpoint of EMI and human body protection, consideration for leaking electric fields is required. For example, a method of shielding an electric field radiated to the outside by forming a metal shield on each surface of a support member serving as a housing of the resonator can be considered. However, the metal shield is required to have a hermetic seal according to the wavelength of the transmission frequency, and a high degree of processing and molding technology is required for the metal workpiece, and the capacity of the metal material for the metal shield increases as the hermeticity increases. There is a problem that the weight of the resonator increases due to the increase.
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、電力伝送に寄与しない電界の漏洩を簡単な構造で抑制可能な共振器及び無線給電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve these problems, and an object of the present invention is to provide a resonator and a wireless power feeding system that can suppress leakage of an electric field that does not contribute to power transmission with a simple structure.
上記課題を解決するために、本発明の共振器は、主に磁場の共鳴を利用して送電側共振器から受電側共振器に電力を伝送する無線給電システムにおける共振器であって、所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、前記共振コイルを支持する支持部材と、前記支持部材の内部又は外周のうち、前記共振コイルの表面近傍領域とは異なる位置に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高い第1の誘電率を有する誘電体材料からなる電界抑制部とを備えて構成される。 In order to solve the above-described problems, a resonator according to the present invention is a resonator in a wireless power feeding system that transmits power from a power transmission side resonator to a power reception side resonator mainly using resonance of a magnetic field, A resonance coil that mutually converts alternating-current power and electromagnetic energy at a resonance frequency, a support member that supports the resonance coil, and a position that is different from a region near the surface of the resonance coil inside or around the support member And an electric field suppressing portion made of a dielectric material having a first dielectric constant higher than the dielectric constant of the material of the support member.
本発明の共振器によれば、磁場の共鳴を利用する非接触の電力伝送方式(磁界共鳴方式)の無線給電システムにおいて、送電側及び受電側の各共振器を構成する共振コイルは、支持部材により支持されるとともに、この支持部材の材料の誘電率よりも高い第1の誘電率を有する誘電体材料からなる電界抑制部が支持部材の内部又は外周のうち、共振コイルの表面近傍領域とは異なる位置に配置されている。よって、共振器の動作時に、共振コイルの線間に発生した電界は、高誘電率の電界抑制部によって囲まれる構造となるので、外部への漏洩電界を抑制することができる。これにより、金属シールド等を用いる場合の共振器の重量増加を招くことなく、簡単な構造で無線給電システムのEMI及び人体防護の対策を施すことが可能となる。 According to the resonator of the present invention, in the wireless power feeding system of the non-contact power transmission method (magnetic field resonance method) using magnetic field resonance, the resonance coil constituting each resonator on the power transmission side and the power reception side is the support member. The electric field suppression portion made of a dielectric material having a first dielectric constant higher than the dielectric constant of the material of the support member is a region near the surface of the resonant coil in the support member. They are located at different positions. Therefore, since the electric field generated between the lines of the resonance coil during the operation of the resonator has a structure surrounded by the high dielectric constant electric field suppression unit, the leakage electric field to the outside can be suppressed. This makes it possible to take measures against EMI and human body protection of the wireless power feeding system with a simple structure without causing an increase in the weight of the resonator when a metal shield or the like is used.
本発明の共振器において、前記共振コイルの表面近傍領域に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高く前記第1の誘電率よりも低い第2の誘電率を有する誘電体セラミック材料からなる電界集中部を更に設けることができる。このような電界集中部により、共振コイルの線間に発生した前述の電界が低損失の誘電体セラミック材料に集中するため、共振コイルのQ値を高めることができる。これにより、前述の外部への漏洩電界を抑制する効果に加えて、Q値の高い共振コイルを用いて無線給電システムの伝送効率の向上が可能となる。なお、「共振コイルの表面近傍領域」としては、共振コイルの表面に接する領域か、あるいは、共振コイルの表面からの距離が共振コイルを構成する線状導体の線間ピッチより十分に小さくなるような領域であることが望ましい。 In the resonator of the present invention, the dielectric ceramic material is disposed in a region near the surface of the resonance coil and has a second dielectric constant that is higher than a dielectric constant of the material of the support member and lower than the first dielectric constant. The electric field concentration portion can be further provided. Such an electric field concentration portion concentrates the above-described electric field generated between the lines of the resonance coil on the low-loss dielectric ceramic material, so that the Q value of the resonance coil can be increased. Thereby, in addition to the effect of suppressing the leakage electric field to the outside described above, it is possible to improve the transmission efficiency of the wireless power feeding system using the resonance coil having a high Q value. Note that the “region in the vicinity of the surface of the resonance coil” is a region that is in contact with the surface of the resonance coil, or the distance from the surface of the resonance coil is sufficiently smaller than the pitch between the linear conductors constituting the resonance coil. It is desirable that it is a region.
前述の電界集中部は、前記共振コイルの表面近傍領域の全部に配置してもよいが、前記共振コイルの表面近傍領域の一部に配置してもよい。電界集中部を一部に配置しても共振器の所望のQ値が得られる場合、電界集中部を構成する誘電体セラミック材料を減らすことで共振器の重量増加を抑えることができる。 The electric field concentrating portion described above may be disposed in the entire region near the surface of the resonance coil, or may be disposed in a part of the region near the surface of the resonance coil. In the case where a desired Q value of the resonator can be obtained even if the electric field concentrating portion is partially arranged, an increase in the weight of the resonator can be suppressed by reducing the dielectric ceramic material constituting the electric field concentrating portion.
電界抑制部を構成する誘電体材料は、誘電正接tanδが10−2以上とすることが望ましい。誘電体材料の誘電正接tanδが10−2に満たないと、電界抑制部の損失に基づく電界の減衰量が不十分になるためである。また、電界集中部を構成する誘電体セラミック材料は、比誘電率εrを8以上とし、誘電正接tanδを10−2以下とすることが望ましい。誘電体セラミック材料の比誘電率εrが8に満たないと、共振コイルの線間の電界を集中させてQ値を高める効果が不十分になるし、誘電体セラミック材料の誘電正接tanδが10−2を超えると、誘電体損の増加によりQ値が低下するからである。 As for the dielectric material which comprises an electric field suppression part, it is desirable for the dielectric loss tangent tan-delta to be 10 <-2 > or more. This is because if the dielectric loss tangent tan δ of the dielectric material is less than 10 −2 , the amount of attenuation of the electric field based on the loss of the electric field suppressing unit is insufficient. In addition, it is desirable that the dielectric ceramic material constituting the electric field concentration portion has a relative dielectric constant εr of 8 or more and a dielectric loss tangent tan δ of 10 −2 or less. If the relative dielectric constant εr of the dielectric ceramic material is less than 8, the effect of increasing the Q value by concentrating the electric field between the lines of the resonant coil becomes insufficient, and the dielectric loss tangent tan δ of the dielectric ceramic material is 10 −. This is because when the ratio exceeds 2 , the Q value decreases due to an increase in dielectric loss.
また、上記課題を解決するために、本発明の無線給電システムは、主に磁場の共鳴を利用して送電装置から受電装置に電力を伝送する無線給電システムであって、前記送電装置は、所定の周波数の交流電力を供給する電源と、前記電源から供給された前記交流電力に共振し、前記交流電力を電磁界エネルギーとして送電する送電側共振器とを備え、前記受電装置は、前記送電側共振コイルと前記磁場の共鳴により結合し、前記電磁界エネルギーを交流電力として受電する受電側共振器と、前記受電側共振器により受電された前記交流電力により動作する回路部とを備え、前記送電側共振器及び前記受電側共振器の各々は、所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、前記共振コイルを支持する支持部材と、前記支持部材の内部又は外周のうち、前記共振コイルの表面近傍領域とは異なる位置に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高い第1の誘電率を有する誘電体材料からなる電界抑制部とを備えて構成される。 In order to solve the above-described problem, a wireless power feeding system according to the present invention is a wireless power feeding system that mainly transmits power from a power transmission device to a power reception device by using resonance of a magnetic field. A power source that supplies alternating-current power of a frequency, and a power-transmission-side resonator that resonates with the alternating-current power supplied from the power source and transmits the alternating-current power as electromagnetic energy, and the power receiving device includes the power transmission side A power receiving side resonator coupled with a resonance coil by resonance of the magnetic field and receiving the electromagnetic field energy as AC power; and a circuit unit operated by the AC power received by the power receiving side resonator, the power transmission Each of the side resonator and the power receiving side resonator includes a resonance coil that mutually converts AC power and electromagnetic field energy of a predetermined resonance frequency, and a support member that supports the resonance coil An electric field made of a dielectric material having a first dielectric constant higher than the dielectric constant of the material of the support member, which is disposed at a position different from the region near the surface of the resonance coil, inside or around the support member. And a suppression unit.
本発明の無線給電システムによれば、上述の特徴を有する共振器を、送電装置の送電側共振器と、受電装置の受電側共振器のそれぞれに適用することができる。よって、送電装置においては、電源から供給される交流電力に共振する送電側共振器が電磁界エネルギーを伝送し、受電装置においては、受電側共振器が電磁界エネルギーを受け取って後段の回路部に交流電力を出力する。例えば、本発明の無線給電システムは、電気自動車やプラグインハイブリッド車などの車両への電源供給などの多様な用途に利用することができる。なお、本発明の無線給電システムにおける共振器の構造は上述した通りであり、電界抑制部により外部への漏洩電界を抑制する効果を得られる点も同様である。 According to the wireless power feeding system of the present invention, the resonator having the above characteristics can be applied to each of the power transmission side resonator of the power transmission device and the power reception side resonator of the power reception device. Therefore, in the power transmission device, the power transmission side resonator that resonates with the AC power supplied from the power supply transmits the electromagnetic field energy, and in the power reception device, the power reception side resonator receives the electromagnetic field energy and enters the subsequent circuit unit. Output AC power. For example, the wireless power feeding system of the present invention can be used for various applications such as power supply to vehicles such as electric vehicles and plug-in hybrid vehicles. The structure of the resonator in the wireless power feeding system of the present invention is as described above, and the same is true in that the effect of suppressing the leakage electric field to the outside can be obtained by the electric field suppressing unit.
本発明によれば、共振コイルと支持部材を備える共振器において、共振コイルの線間に発生した電界の周囲に高誘電率の誘電体材料からなる電界抑制部を設けたので、外部への漏洩電界を効果的に抑制でき、簡単な構造でEMI及び人体防護への対策を施すことが可能な無線給電システムを実現することができる。 According to the present invention, in the resonator including the resonance coil and the support member, since the electric field suppression unit made of a dielectric material having a high dielectric constant is provided around the electric field generated between the lines of the resonance coil, leakage to the outside A wireless power feeding system that can effectively suppress an electric field and can take measures against EMI and human body protection with a simple structure can be realized.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the embodiment described below is an example of a form to which the technical idea of the present invention is applied, and the present invention is not limited by the content of the present embodiment.
図1は、本発明を適用した無線給電システムの一構成例を示すブロック図である。図1に示す無線給電システムは、送電装置1から受電装置2に非接触(無線)で電力を伝送するシステムである。例えば、車両に内蔵された受電装置2に対し、地面や路面に配設された送電装置1から非接触で給電を行う無線給電システムを挙げることができる。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a wireless power feeding system to which the present invention is applied. The wireless power feeding system illustrated in FIG. 1 is a system that transmits power from the power transmission device 1 to the power reception device 2 in a contactless (wireless) manner. For example, a wireless power feeding system that feeds power to the power receiving device 2 built in the vehicle in a non-contact manner from the power transmitting device 1 disposed on the ground or road surface can be given.
図1に示すように、送電装置1は、AC/DCコンバータ10と、高周波電源11と、整合回路12と、送電側共振器13と、無線通信部14と、制御部15とを含んで構成される。また、受電装置2は、受電側共振器20と、整合回路21と、整流器22と、バッテリ23と、負荷回路24と、無線通信部25と、制御部26とを含んで構成される。
As shown in FIG. 1, the power transmission device 1 includes an AC /
送電装置1において、AC/DCコンバータ10は、商用電源等の交流電力を直流電力に変換する。高周波電源11は、AC/DCコンバータ10から供給される直流電力を用いて所定の周波数の高周波電力を発生する発振器である。整合回路12は、高周波電力を供給する高周波電源11の出力側と後段の送電側共振器13とのインピーダンス整合を行う。送電側共振器13は、整合回路12を介して供給される高周波電力を受け、その所定の周波数で共振して電磁界エネルギーを生成する共振器である。送電側共振器13の具体的な構造と作用については後述する。
In the power transmission device 1, the AC /
受電装置2において、受電側共振器20は、送電装置1の送電側共振器13と磁気的に結合し、磁界共鳴に基づき上述の所定の周波数で共振して高周波電力を発生する共振器である。本実施形態において、受電側共振器20は、基本的に送電装置1の送電側共振器13と同一の構造としてよい。整合回路21は、受電側共振器20と後段の整流器22とのインピーダンス整合を行う。整流器22は、整合回路21を経由して供給される高周波電力を整流して直流電力に変換する。蓄電器として機能するバッテリ23は、整流器22を介して供給される電力を蓄える二次電池である。負荷回路24は、バッテリ23から供給される放電電流に応じて動作する回路であって、受電装置2の取り付け対象に含まれる多様な構成要素が想定される。
In the power receiving device 2, the
一方、送電装置1の制御部15は、送電装置1の全体の動作を制御する。同様に、受電装置2の制御部26は、受電装置2の全体の動作を制御する。各々の制御部15、26は、例えば、無線給電システムにより定められた処理を実行するプロセッサと、データおよびプログラムを記憶するメモリを含む。また、送電装置1の無線通信部14と受電装置2の無線通信部25は、上述の送電側共振器13及び受電側共振器20の間の電力の伝送とは別に、それぞれの制御部15、26で必要な情報を無線により相互に伝送する手段であり、例えば、送受信回路とアンテナを含んで構成される。
On the other hand, the
次に、図1の無線給電システムのうち、送電側共振器13及び受電側共振器20の構造及び動作について説明する。本実施形態において、送電側共振器13及び受電側共振器20は、いずれも所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーを相互に変換する共振コイルを含み、送電側共振器13及び受電側共振器20を比較的近い距離で対向させて配置して両者を磁気的に結合させた状態で用いられる。このような状態で、送電側共振器13から主に磁界エネルギーが受電側共振器20に伝送され、いわゆる磁界共鳴方式に基づく非接触の電力伝送が可能となる。
Next, the structure and operation of the power
図2は、送電装置1における送電側共振器13及びそれに関連する回路部分と、受電装置2における受電側共振器20及びそれに関連する回路部分との等価回路の一例を示している。送電装置1においては、発振器11aとインピーダンスZoの直列回路の部分は図1の高周波電源11に相当し、インダクタンスL1、容量C1、抵抗R1の直列回路の部分は図1の送電側共振器13に相当し、両者が接続されている。また、受電装置2においては、インダクタンスL2、容量C2、抵抗R2の直列回路の部分は図1の受電側共振器20に相当し、その回路部分と負荷(図1のバッテリ23又は負荷回路24)が接続されている。このように、送電側共振器13と受電側共振器20は同一の等価回路で表されるので、磁界の結合によって同一の共振周波数で共振(共鳴)する。
FIG. 2 shows an example of an equivalent circuit of the power
送電側共振器13及び受電側共振器20において、インダクタンスL1、L2は共振コイルの部分のサイズや巻数に依存して定まり、容量C1、C2は共振コイルの配線間の寄生容量(浮遊容量)に依存して定まる。図2の等価回路において、1対の送電側共振器13及び受電側共振器20の回路部分は、1対のコイルが電磁誘導を生じる回路形式と同様に表現される。ただし、電磁誘導の場合は、Q値が考慮されないために1対のコイルの距離が離れると電力の伝送が困難となるのに対し、本実施形態では、後述の構造及び材料によって共振コイルのQ値を高くできるので、送電側共振器13と受電側共振器20がある程度距離が離れたとしても、磁界結合によって効率的に電力を伝送することができる。
In the power
ここで、送電側共振器13から受電側共振器20への伝送効率ηは、次の(1)式のfom(性能指数)に関係する。
fom=k(Q1・Q2)1/2 (1)
ただし、k:結合係数
Q1:送電側共振器13の共振コイルのQ値
Q2:受電側共振器20の共振コイルのQ値
Here, the transmission efficiency η from the power
fom = k (Q1 · Q2) 1/2 (1)
Where k: coupling coefficient Q1: Q value of resonance coil of power
(1)式において、結合係数kは、送電側共振器13と受電側共振器20の各共振コイル同士の間隔(エアギャップ)に依存し、間隔が大きくなるほど低下する。すなわち、各共振コイルの配置の制約に応じた所与の結合係数kに対し、上述のQ1、Q2が高くなるほど、伝送効率ηを向上させることができる。一般に、角周波数ωにおける共振コイルのQ値は、(2)式により与えられる。
Q=ωL/r (2)
ただし、L:インダクタンス
r:抵抗
In the equation (1), the coupling coefficient k depends on the interval (air gap) between the resonance coils of the power
Q = ωL / r (2)
Where L: inductance r: resistance
(2)式において、抵抗rは、誘電体損、導体損、放射損などの損失の和で表される。本実施形態では、送電側共振器13及び受電側共振器20の構造に基づき共振コイルの損失を低減することにより、共振コイルのQ値の向上を図るものであるが、詳しくは後述する。
In the equation (2), the resistance r is represented by the sum of losses such as dielectric loss, conductor loss, and radiation loss. In the present embodiment, the Q value of the resonance coil is improved by reducing the loss of the resonance coil based on the structure of the power
次に、図1の送電側共振器13及び受電側共振器20の構造について説明する。上述したように、送電側共振器13及び受電側共振器20の基本構造は同じであるため、以下では、送電側共振器13及び受電側共振器20の両方に適合する共振器(30〜32)を想定して説明を行うものとする。まず、第1の構造例に係る共振器30について図3及び図4を参照して説明する。第1の構造例に関し、図3は共振器30の断面構造図を示し、図4は共振器30の上面図を示す。第1の構造例の共振器30は、円板状の支持部材40と、スパイラル型の巻線コイル41(本発明の共振コイル)と、支持部材40内に配置された電界抑制部42とを備えて構成される。共振器30は、図3に示す伝送方向Rに対向して配置された別の共振器30との間で磁界を主とする電磁界エネルギーを伝送する。なお、図4の上面図は、図3の共振器30のうち、支持部材40の上面部40a及び充填部40dと電界抑制部42の上部42a及び底部42bとを透視した状態で示している。
Next, the structure of the power
第1の構造例において、支持部材40は、共振器30の全体を支持する筐体としての役割があり、例えば、一般的な樹脂材料により形成され、所定の厚みを有する円板状の部材である。図3及び図4においては、支持部材40を、上面部40a、底面部40b、側面部40c、充填部40dに区分して示している。支持部材40の形状及び構造は、図4の例には限られないが、巻線コイル41の一定の形状を確保でき、かつ十分な機械的強度を得られる構造を有することが望ましい。支持部材40の内部には、巻線コイル41及び電界抑制部42が固定された状態で配置されている。巻線コイル41と電界抑制部42とは接していない(離間している)。なお、支持部材40の充填部40dは、巻線コイル41を固定可能である限り、内部空間が存在する構造であってもよい。
In the first structural example, the
巻線コイル41は、支持部材40の厚さ方向の略中央の位置に配置され、スパイラル状に巻いた状態の線状導体(例えば、銅線)である。図4に示すように、巻線コイル41は所定の線径及び所定の線間ピッチで形成される。ただし、巻線コイル41のサイズ、巻き数、線状導体の線径及び線間ピッチは、共振器30のサイズ、共振周波数、Q値などの設計条件に応じて適切に決定することができる。なお、図3の例では、巻線コイル41を構成する線状導体が円形断面で表されるが、方形断面であってもよい。
The winding
巻線コイル41の両端は開放(オープン)されていてもよいし、あるいは回路素子に接続されていてもよい。巻線コイル41の両端が開放されている状態で共振器30に給電するには、例えば、近傍に配置したループ素子を介して共振器30に給電すればよい。また、共振器30に対し、巻線コイル41の一端にキャパシタを直列に接続してもよいし、巻線コイル41の両端にキャパシタを並列に接続してもよい。このようなキャパシタの容量値を適切に設定することにより、共振器30の共振周波数やQ値を調整することができる。
Both ends of the winding
電界抑制部42は、高誘電率のセラミック材料により形成された部材であり、支持部材40の上面部40a、底面部40b、側面部40cの全体と充填部40dとの間に配置されている。電界抑制部42は、支持部材40の誘電率よりも高い誘電率(本発明の第1の誘電率)を有するセラミック材料により形成され、例えば、比誘電率εが100を超える程度のセラミック材料を用いることが望ましい。なお、支持部材40の一般的な樹脂材料としては、例えば、比誘電率εrが2程度となるので、それに比べて電界抑制部42の誘電率は十分に高い値に設定される。電界抑制部42のセラミック材料としては、例えば、チタン酸バリウム(εr>1000、tanδ>10−2)を用いることができる。図3に示すように、電界抑制部42は、上部42a、底部42b、側部42cにより構成される。
The electric
電界抑制部42の役割は、共振器30の各方向に漏洩する電界を抑制することにある。電界抑制部42の上部42a、底部42b、側部42cは、それぞれ支持部材40の上面部40a、底面部40b、側面部40cの内側に配置されるので、巻線コイル41から放射される電界の全方位を取り囲む構造となっている。電界抑制部42は極めて誘電率が高いことから、巻線コイル41から各方向に放射される電界は電界抑制部42の内部で収束して外部に透過する電界が減衰するので、電界抑制部42を透過して外部に漏洩する電界を抑制することができる。なお、電界抑制部42の上部42aは、巻線コイル41から伝送方向Rに放射される磁界には影響を与えない。
The role of the electric
上述したように、電界抑制部42は、共振器30の磁界エネルギーの伝送には寄与しないことから、損失が大きいセラミック材料を用いても支障はない。この場合、ある程度損失が大きいセラミック材料を用いて電界抑制部42を構成すれば、電界抑制部42を通過する電界エネルギーが熱となって消費され、電界抑制部42を透過する電界の減衰量を高めることができる。このような観点から、前述のチタン酸バリウムのように、誘電正接tanδが10−2以上のセラミック材料を用いて電界抑制部42を構成することが望ましい。また、電界抑制部42が厚いほど電界漏洩の抑制効果を高めることができるが、共振器30のサイズや重量の制約を考慮して、電界抑制部42の厚さを設定する必要がある。例えば、電界抑制部42の厚さは、0.5mm以上に設定することが望ましい。
As described above, since the electric
以上のように、第1の構造例を採用することにより、磁界共鳴方式により送電側共振器13から受電側共振器20に電磁界エネルギーを伝送する際、その周囲への漏洩電界の十分な抑制が可能となる。従って、本実施形態の無線給電システムにおける有効なEMI対策の手段を提供でき、人体への安全性や周囲の機器へ影響軽減などの効果を高めることができる。また、共振器30に金属シールドを施す場合は、密閉性の実現のための構造の複雑化や、共振器30の重量増加が問題となるのに対し、セラミック材料を用いた電界抑制部42の場合は、共振器30の構造の複雑化や重量増加を回避する点でも有利である。
As described above, by adopting the first structural example, when the electromagnetic field energy is transmitted from the power
次に、第2の構造例に係る共振器31について図5及び図6を参照して説明する。第2の構造例に関し、図5は共振器31の断面構造図を示し、図6は共振器31の上面図を示している。図5及び図6は、第1の構造例の図3及び図4にそれぞれ対応する。第2の構造例の共振器31のうち、支持部材40と、巻線コイル41と、電界抑制部42とについては、第1の構造例の共振器30と共通であるので、それらの説明は省略する。一方、第2の構造例の共振器31のうち、第1の構造例の共振器30と異なる点は、巻線コイル41の両面に配置された誘電体セラミック材料からなる電界集中部43を備える点である。
Next, a
図5に示すように、電界集中部43は、巻線コイル41の表面近傍領域の全部に配置されている。すなわち、巻線コイル41の両側の表面を全体的に挟むように電界集中部43が配置されている。よって、電界集中部43の平面視の形状は、図6に示すように、全体が円形であって、中央が円形に開口されている。電界集中部43に用いる誘電体セラミック材料は、少なくとも、支持部材40の材料の誘電率よりも高く、かつ、電界抑制部42の誘電率よりも低い誘電率(本発明の第2の誘電率)を有している。具体的には、比誘電率εrが8以上で、かつ、誘電正接tanδが10−2以下の誘電体セラミック材料を用いて電界集中部43を形成することが望ましい。
As shown in FIG. 5, the electric
電界集中部43の役割は、支持部材40との誘電率の相違により、巻線コイル41の巻線間に発生する電界を電界集中部43に集中させて巻線コイル41のQ値を高めることにある。前述したように、共振器30間の伝送は磁界が主であるため、巻線コイル41の線間の電界は伝送には寄与しないが、実際には巻線コイル41の線間の電界が支持部材40の樹脂材料を通過する際の損失(主に誘電体損)を小さくする必要がある。そのため、巻線コイル41の表面近傍領域に、支持部材40よりも誘電率が高い誘電体材料を配置することにより、巻線コイル41の近傍に電界を集中させ(電気力線の密度を高め)、これにより電界が支持部材40を通過する際の損失の低減を図るものである。なお、巻線コイル41と電界集中部43の間に樹脂材料等が存在すると、そこを電界が通過して損失が発生するので、巻線コイル41と電界集中部43はできるだけ密着させた状態で配置することが望ましい。
The role of the electric
以上のように、第2の構造例を採用することにより、巻線コイル41の表面近傍領域に配置した電界集中部43に線間の電界を集中させて巻線コイル41のQ値を高めることができるので、本実施形態の無線給電システムにおいて良好な伝送効率を実現することができる。また、第2の構造例では、第1の構造例と同様の電界抑制部42に加えて、上述の電界集中部43を更に設けたので、電界集中部43により低減された電界を更に電界抑制部42により抑制できるので、外部への電界漏洩の抑制効果を一層高めることができる。電界集中部43と電界抑制部42とは異なる位置に配置されている。なお、電界集中部43は、巻線コイル41のQ値に関連するので、電界抑制部42とは異なり、損失が小さいセラミック材料を用いることが望ましい。
As described above, by adopting the second structural example, the Q value of the winding
次に、第3の構造例に係る共振器32について図7及び図8を参照して説明する。第3の構造例に関し、図7は共振器32の断面構造図を示し、図8は共振器32の上面図を示している。図7及び図8は、第1の構造例の図3及び図4(第2の構造例の図5及び図6)にそれぞれ対応する。ここで、図7は、図8のA−A断面における断面構造図であるとする。第3の構造例の共振器32のうち、支持部材40と、巻線コイル41と、電界抑制部42とについては、第1及び第2の構造例の共振器30、31と共通であるので、それらの説明は省略する。一方、第3の構造例の共振器32のうち、巻線コイル41の両面に配置された誘電体セラミック材料からなる電界集中部43を備える点は第2の構造例と同様であるが、電界集中部43の平面視の構造が第2の構造例とは異なっている。
Next, a
具体的には、図8に示す電界集中部43は、巻線コイル41の表面近傍領域の全部ではなく、一部に配置されている。図8の例では、巻線コイル41の周方向の所定位置に配置された3個の板状部材からなる電界集中部43が示されている。この場合、図7に示すように、巻線コイル41の両側の表面を挟んで、6個の板状部材からなる電界集中部43が配置されることになる。なお、図7は、図8のA−A断面で見た断面構造であるため、左側にのみ電界集中部43が配置された状態が示される。なお、電界集中部43を構成する板状部材の個数や配置は制約されず、1個の板状部材のみで構成してもよい。
Specifically, the electric
以上のように、第3の構造例を採用することにより、第2の構造例と同様、電界集中部43による電界の集中に基づき巻線コイル41のQ値を高める効果と、電界抑制部42による外部への電界漏洩の抑制効果の両方を得ることができる。また、第3の構造例の共振器32は、巻線コイル41の表面近傍領域の一部にのみ電界集中部43を配置したので、第2の構造例に比べて誘電体セラミック材料による重量増加を抑えることができる。ただし、巻線コイル41の十分なQ値を確保するためには、巻線コイル41の表面に対する電界集中部43が占める面積比を概ね10%以上に設定することが望ましい。
As described above, by adopting the third structural example, as in the second structural example, the effect of increasing the Q value of the winding
本実施形態では、第1〜第3の構造例の共振器30〜32を例にとって説明したが、それぞれの共振器30〜32に関しては、第1〜第3の構造例に限定されることなく多様な構造を採用することができる。例えば、本実施形態の電界抑制部42は、上部42a、底部42b、側部42cが支持部材40の上面部40a、底面部40b、側面部40cの全面を覆うように配置されているが、電界漏洩の所望の抑制効果が得られる限り、電界抑制部42が支持部材40の上面部40a、底面部40b、側面部40cを部分的に覆う配置であってもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態の電界抑制部42は、送電側共振器13と受電側共振器20とが磁界に加え電界でも結合している場合は、伝送方向Rに面する電界抑制部42を配置しない形態としてもよい。つまり、電界抑制部42に上部42aを設けずに、底部42b及び側部42cが支持部材40の底面部40b及び側面部40cの全面を覆うように配置する形態としてもよい。この場合も、電界漏洩の所望の抑制効果が得られる限り、電界抑制部42が、支持部材40の底面部40b及び側面部40cを部分的に覆う配置であってもよい。
In addition, the electric
また、本実施形態の電界抑制部42を構成するセラミック材料の形成方法は制約されず、機械的強度を高める目的で、ゴム等の材料にセラミック粉末を装荷した混合材料を用いることができる。また、本実施形態の共振器30〜32として、スパイラル型の巻線コイル41を用いる構造例を説明したが、ヘリカル型の巻線コイルを用いてもよい。さらに、本実施形態の電界抑制部42は、支持部材40の内部に配置されているが、電界漏洩の所望の抑制効果が得られる限り、支持部材40の外周に配置する形態を採用してもよい。例えば、図3の支持部材40のうち充填部40dのみを設け、外側に電界抑制部42が露出する形態である。
Moreover, the formation method of the ceramic material which comprises the electric
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、本実施形態の無線給電システムとして、図1の構成例を示したが、これに限られることなく、本発明の構造上の特徴を具備する共振器を用いる限り、多様な構成の無線給電システムに対して本発明を適用することができる。また、本発明を適用可能な無線給電システムの用途として、車両への電源供給に言及したが、例えば、携帯電話やノートPCなどの情報端末、TV、家電機器、照明機器、ゲーム機器、医療機器、産業機器など多様な用途の無線給電システムに対して本発明の適用が可能である。さらに、その他の点についても上記実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、上記実施形態に開示した内容には限定されることなく適宜に変更可能である。 The contents of the present invention have been specifically described above based on the present embodiment, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the configuration example of FIG. 1 is shown as the wireless power supply system of the present embodiment, but the present invention is not limited to this, and as long as the resonator having the structural features of the present invention is used, wireless power supply having various configurations is possible. The present invention can be applied to a system. In addition, as a use of the wireless power supply system to which the present invention can be applied, reference is made to power supply to vehicles. For example, information terminals such as mobile phones and notebook PCs, TVs, home appliances, lighting devices, game devices, and medical devices The present invention can be applied to wireless power feeding systems for various uses such as industrial equipment. Further, the contents of the present invention are not limited by the above-described embodiment with respect to other points, and the contents disclosed in the above-described embodiment are not limited to the contents disclosed in the above-described embodiments as long as the effects of the present invention can be obtained. Is possible.
1…送電装置
2…受電装置
10…AC/DCコンバータ
11…高周波電源
12…整合回路
13…送電側共振器
14…無線通信部
15…制御部
20…受電側共振器
21…整合回路
22…整流器
23…バッテリ
24…負荷回路
25…無線通信部
26…制御部
30、31、32…共振器
40…支持部材
41…巻線コイル
42…電界抑制部
43…電界集中部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power transmission apparatus 2 ...
Claims (9)
所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、
前記共振コイルを支持する支持部材と、
前記支持部材の内部又は外周のうち、前記共振コイルの表面近傍領域とは異なる位置に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高い第1の誘電率を有する誘電体材料からなる電界抑制部と、
を備えることを特徴とする共振器。 A resonator in a wireless power feeding system that mainly uses magnetic field resonance to transmit power from a power transmitting resonator to a power receiving resonator,
A resonant coil that mutually converts AC power and electromagnetic energy of a predetermined resonant frequency;
A support member for supporting the resonance coil;
Electric field suppression made of a dielectric material having a first dielectric constant higher than the dielectric constant of the material of the support member, which is arranged at a position different from the region near the surface of the resonance coil, inside or around the support member And
A resonator comprising:
前記送電装置は、
所定の周波数の交流電力を供給する電源と、
前記電源から供給された前記交流電力に共振し、前記交流電力を電磁界エネルギーとして送電する送電側共振器と、
を備え、
前記受電装置は、
前記送電側共振コイルと前記磁場の共鳴により結合し、前記電磁界エネルギーを交流電力として受電する受電側共振器と、
前記受電側共振器により受電された前記交流電力により動作する回路部と、
を備え、
前記送電側共振器及び前記受電側共振器の各々は、
所定の共振周波数の交流電力と電磁界エネルギーとを相互に変換する共振コイルと、
前記共振コイルを支持する支持部材と、
前記支持部材の内部又は外周のうち、前記共振コイルの表面近傍領域とは異なる位置に配置され、前記支持部材の材料の誘電率よりも高い第1の誘電率を有する誘電体材料からなる電界抑制部と、
を備えることを特徴とする無線給電システム。 A wireless power feeding system that mainly uses magnetic field resonance to transmit power from a power transmitting device to a power receiving device,
The power transmission device is:
A power supply for supplying AC power of a predetermined frequency;
A power transmission-side resonator that resonates with the AC power supplied from the power source and transmits the AC power as electromagnetic energy;
With
The power receiving device is:
A power receiving side resonator coupled with the power transmitting side resonance coil by resonance of the magnetic field and receiving the electromagnetic field energy as AC power;
A circuit unit that operates by the AC power received by the power-receiving-side resonator;
With
Each of the power transmission side resonator and the power reception side resonator is:
A resonant coil that mutually converts AC power and electromagnetic energy of a predetermined resonant frequency;
A support member for supporting the resonance coil;
Electric field suppression made of a dielectric material having a first dielectric constant higher than the dielectric constant of the material of the support member, which is arranged at a position different from the region near the surface of the resonance coil, inside or around the support member And
A wireless power feeding system comprising:
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