JP2017055605A

JP2017055605A - ワイヤレス電力供給システム

Info

Publication number: JP2017055605A
Application number: JP2015178981A
Authority: JP
Inventors: 粟井　郁雄; Ikuo Awai; 郁雄粟井
Original assignee: RYUTECH CO Ltd
Current assignee: RYUTECH CO Ltd
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2017-03-16

Abstract

【課題】複数個の受電側装置に共振によって無線で電力供給を行い得る簡素な構造のワイヤレス電力供給システムを提供する。【解決手段】このワイヤレス電力供給システム１において、送電側共振器２１は、第１送電側共振器平板体２１ｂと第２送電側共振器平板体２１ｃで構成したコンデンサと送電側インダクタ２１ａで送電側共振回路を構成し、受電側共振器３１は、第１受電側共振器平板体３１ｂと第２受電側共振器平板体３１ｃで構成したコンデンサと受電側インダクタ３１ａで受電側共振回路を構成し、リピータ４は、共振周波数電力信号が、第２送電側共振器平板体２１ｃから電界を通じて送電側リピータ平板体４１に入力され、中間接続線４３を通って伝達され、第２受電側共振器平板体３１ｃに向けて電界を通じて受電側リピータ平板体４２から出力し得る。【選択図】図１

Description

本発明は、受電側装置に無線で電力供給を行い得るワイヤレス電力供給システムに関する。

電磁界は、放射電磁界（電磁波）と非放射電磁界（エバネッセント場）に分類できる。非放射電磁界を用いて送電側装置から受電側装置に無線で電力をワイヤレス電力供給システムには、結合共振器型、電磁誘導型、容量結合型などがある。この中で、結合共振器型のワイヤレス電力供給システムでは、送電側装置の送電側共振器と受電側装置の受電側共振器を共振させて電力を伝送することで、簡便な構成の電力供給を可能としている。

結合共振器型のワイヤレス電力供給システムにおいては、送電側共振器と受電側共振器の間に、リピータと称する追加の部材を挿入する場合がある。例えば、特許文献１に開示の結合共振器型のワイヤレス電力供給システムには、送電側共振器と受電側共振器の間に、それらと同様の共振器及びその付属回路を備えた構成のリピータ（リピータアンテナ）が設けられている。

また、本願発明者による特許文献２に開示の結合共振器型のワイヤレス電力供給システム（無線電力伝送システム）には、送電側共振器と受電側共振器の間に、送電側平板体と受電側平板体とそれらをつなぐ中間接続線とを備えた構成のリピータが設けられている。中間接続線を曲げたり分岐させたりすることで、受電側装置の位置を様々に変えたり、受電側装置を複数個にすることも可能である。このリピータは、特許文献１などに開示されたリピータに比べて小型軽量である。

これらの特許文献１及び特許文献２に開示されるリピータによって、送電側共振器から受電側共振器までの電力供給可能距離を延ばすことができる。

国際公開ＷＯ２００９／１４０２１８号公報特開２０１５−２３６３８号公報

特許文献２に開示の結合共振器型のワイヤレス電力供給システムは、図５に示すように、複数個の受電側装置に無線で電力供給を行い得るものに適用することが可能である。

このワイヤレス電力供給システム１０１は、１個の送電側装置１０２の送電側共振器１２１と複数個の受電側装置１０３の受電側共振器１３１とリピータ１０４とを備え、１個の送電側共振器１２１からリピータ１０４を介して複数個の受電側共振器１３１に共振によって無線で電力供給を行い得る。リピータ１０４は、１個の送電側共振器１２１からの非放射電磁界を通じて共振周波数電力信号が入力されて、複数個の受電側共振器１３１に向けて非放射電磁界を通じて共振周波数電力信号を出力する。このリピータ１０４は、非放射電磁界のうち特に電界を用いるものである。

送電側装置２の送電側共振器１２１は、電気導線が平面的でスパイラル状に巻かれて形成されるコイル、すなわちスパイラルコイル１２１ａを有する構成とすることができる。送電側共振器１２１は、インピーダンスの整合を行うインピーダンス整合手段１２２Ａを介して、高周波電源１２２の信号によって励振される。インピーダンス整合手段１２２Ａは、典型的には、線材がループ形状をなして送電側共振器１２１に電磁誘導結合する結合ループを用いることができるが、例えば、高周波電源１２２が送電側共振器１２１に直結する形態など他の形態であってもよい。

受電側装置１０３の受電側共振器１３１は、図５に示すように、スパイラルコイル１３１ａを有する構成とすることができる。受電側共振器１３１に伝送された電力は、インピーダンスの整合を行うインピーダンス整合手段１３２Ａを介して、負荷１３２に供給される。インピーダンス整合手段１３２Ａは、典型的には、線材がループ形状をなして受電側共振器１３１に電磁界結合する結合ループを用いることができるが、例えば、負荷回路１３２が受電側共振器１３１に直結する形態など他の形態であってもよい。負荷１３２は、充電回路など、受電側装置３の所要の機能のための回路である。

リピータ１０４は、図５に示すように、１個の送電側平板体１４１と、複数個の受電側平板体１４２と、複数個の中間接続線１４３と、を有する構成である。送電側平板体１４１は、送電側共振器１２１に対向しそれからの非放射電磁界（電界）が入力される。受電側平板体１４２は、受電側共振器１３１に対向しそれに向けて非放射電磁界（電界）を出力し得る。

中間接続線１４３は、送電側平板体１４１と受電側平板体１４２を電気的につなぐものである。中間接続線１４３は、送電側平板体１４１と複数個の受電側平板体１４２の各々の表面がほぼ１つの平面上に有るように、送電側平板体１４１と受電側平板体１４２の各々の外周面又は外周面近傍の一部に接続されている。

このような構成により、複数個の受電側装置に無線で電力供給を行い得る。しかしながら、産業分野では、より簡素な構造のものが求められるのが常である。そこで、本願発明者は、このようなワイヤレス電力供給システム１０１のリピータ１０４は、非放射電磁界のうち特に電界を用いるものであることを考慮し、鋭意研究し、より簡素な構造のワイヤレス電力供給システムを案出した。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、送電側共振器からリピータを介して複数個の受電側装置に共振によって無線で電力供給を行い得る簡素な構造のワイヤレス電力供給システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載のワイヤレス電力供給システムは、少なくとも１個の送電側共振器と少なくとも１個の受電側共振器とリピータを備え、前記送電側共振器から前記リピータを介して前記少なくとも１個の受電側共振器に共振によって無線で電力供給を行い得るワイヤレス電力供給システムにおいて、前記少なくとも１個の送電側共振器は、送電側インダクタと第１送電側共振器平板体と第２送電側共振器平板体を有しており、該第１送電側共振器平板体と該第２送電側共振器平板体でコンデンサを構成し、このコンデンサと前記送電側インダクタで送電側共振回路を構成し、前記少なくとも１個の受電側共振器は、受電側インダクタと第１受電側共振器平板体と第２受電側共振器平板体を有しており、該第１受電側共振器平板体と該第２受電側共振器平板体でコンデンサを構成し、このコンデンサと前記受電側インダクタで受電側共振回路を構成し、前記リピータは、前記第２送電側共振器平板体から電界を通じて共振周波数電力信号がそれに対向する送電側リピータ平板体に入力され、前記共振周波数電力信号が中間接続線を通って伝達され、前記第２受電側共振器平板体に向けて電界を通じて前記共振周波数電力信号をそれに対向する受電側リピータ平板体から出力し得ることを特徴とする。

本発明のワイヤレス電力供給システムによれば、簡素な構造で、送電側共振器からリピータを介して複数個の受電側装置に共振によって無線で電力供給を行い得る。

本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給システムの構成を示す模式的な斜視図である。同上のワイヤレス電力供給システムの変形例の構成を示す模式的な斜視図である。同上のワイヤレス電力供給システムのリピータを示す平面図である。同上のワイヤレス電力供給システムのリピータとその近傍を示す側面図である。本発明以前のワイヤレス電力供給システムの構成を示す模式的な斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給システム１は、図１に示すように、１個の送電側装置２の送電側共振器２１と複数個の受電側装置３の受電側共振器３１を備え、１個の送電側共振器２１から複数個の受電側共振器３１に共振によって無線で電力供給を行い得る装置である。このワイヤレス電力供給システム１においては、１個の送電側共振器２１からの非放射電磁界を通じて共振周波数電力信号が入力されて、複数個の受電側共振器３１に向けて非放射電磁界を通じて共振周波数電力信号を出力するリピータ４を備えている。このリピータ４は、非放射電磁界のうち特に電界を用いるものである。

送電側装置２の送電側共振器２１は、図１に示すように、送電側インダクタ（一般に電子部品として使用されるフェライト芯入りソレノイドインダクタなど）２１ａと第１送電側共振器平板体２１ｂと第２送電側共振器平板体２１ｃを有する構成である。第１送電側共振器平板体２１ｂと第２送電側共振器平板体２１ｃは、コンデンサを構成する。このコンデンサと送電側インダクタ２１ａで送電側共振回路を構成する。第２送電側共振器平板体２１ｃは、リピータ４の後述する送電側リピータ平板体４１に対向している。送電側共振器２１は、高周波電源２２の信号によって励振される。なお、図２に示すように、第１送電側共振器平板体２１ｂと第２送電側共振器平板体２１ｃが構成するコンデンサと並列に、可変コンデンサ２１ｄを付加し、可変コンデンサ２１ｄによって共振周波数を調整することも可能である。

受電側装置３の受電側共振器３１は、図１に示すように、受電側インダクタ（一般に電子部品として使用されるフェライト芯入りソレノイドインダクタなど）３１ａと第１受電側共振器平板体３１ｂと第２受電側共振器平板体３１ｃを有する構成である。第１受電側共振器平板体３１ｂと第２受電側共振器平板体３１ｃは、コンデンサを構成する。このコンデンサとじ受電側インダクタ３１ａで受電側共振回路を構成する。第２受電側共振器平板体３１ｃは、リピータ４の後述する受電側リピータ平板体４２に対向している。受電側共振器３１に伝送された電力は、負荷３２に供給される。負荷３２は、充電回路など受電側装置３の所要の機能のための回路である。なお、図２に示すように、第１受電側共振器平板体３１ｂと第２受電側共振器平板体３１ｃが構成するコンデンサと並列に、可変コンデンサ３１ｄを付加し、可変コンデンサ３１ｄによって共振周波数を調整することも可能である。

第１送電側共振器平板体２１ｂ、第２送電側共振器平板体２１ｃ、第１受電側共振器平板体３１ｂ、第２受電側共振器平板体３１ｃは、金属材料の平板体（例えば、厚さ０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ）よりなり、また、円板状（例えば、直径５ｃｍ〜１０ｃｍ）のものとすることができる。第１送電側共振器平板体２１ｂ、第２送電側共振器平板体２１ｃ、第１受電側共振器平板体３１ｂ、第２受電側共振器平板体３１ｃは、その表面が、凹凸がなく平坦であることが好ましく、その材料としては、銅などを用いることができる。

このような送電側共振器２１と受電側共振器３１の構成は、スパイラルコイルよりも広く使用される一般的なフェライト芯入りソレノイドインダクタなどを用いることができるので、小型で簡素な構造となる。

リピータ４は、図１〜図４に示すように、１個の送電側リピータ平板体４１と、複数個の受電側リピータ平板体４２と、複数個の中間接続線４３と、を有する構成である。送電側リピータ平板体４１は、送電側共振器２１の第２送電側共振器平板体２１ｃに間隔（例えば、０．１ｍｍ〜１ｍｍ）をあけて対向し（図４参照）、それからの電界を通じて共振周波数電力信号が入力される。受電側リピータ平板体４２は、受電側共振器３１の第２受電側共振器平板体３１ｃに間隔（例えば、０．１ｍｍ〜１ｍｍ）をあけて対向し、それに向けて電界を通じて共振周波数電力信号を出力し得る。中間接続線４３は、送電側リピータ平板体４１と複数個の受電側リピータ平板体４２を電気的につないで、共振周波数電力信号を伝達する。

送電側リピータ平板体４１と受電側リピータ平板体４２は、金属材料の平板体（例えば、厚さ０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ）よりなる。送電側リピータ平板体４１と受電側リピータ平板体４２は、円板状（例えば、直径５ｃｍ〜１０ｃｍ）のものとすることができる。図１及び図４においては、送電側リピータ平板体４１及び受電側リピータ平板体４２は第２送電側共振器平板体２１ｃ及び第２受電側共振器平板体３１ｃとほぼ等しい大きさに示しているが、その大小関係は適宜変えることができる。また、送電側リピータ平板体４１及び受電側リピータ平板体４２の表面は、凹凸がなく平坦であることが好ましい。中間接続線４３は、金属線（例えば、直径１ｍｍ）よりなる。送電側リピータ平板体４１と受電側リピータ平板体４２と中間接続線４３の材料としては、銅などを用いることができる。

１個の送電側リピータ平板体４１と複数個の受電側リピータ平板体４２は、それらの外周面又は外周面近傍の箇所に中間接続線４３が接続されるようにできる。そうすると、１個の送電側リピータ平板体４１と複数個の受電側リピータ平板体４２は、図１〜図４に示すように、それらの表面が略同一の方向（図３においては手前、図４においては上方）を向くように容易に配置できる。１個の送電側リピータ平板体４１と複数個の受電側リピータ平板体４２の表面が略同一の方向に向くように配置すると、それらがマット状となり、複数個の受電側装置３（例えば、携帯端末、携帯電話、家電小物など）が据置し易くなる。

このような構成のワイヤレス電力供給システム１は、送電側共振器２１と受電側共振器３１が小型で簡素な構造で有るので、全体として小型で簡素な構造となる。また、ワイヤレス電力供給システム１は、図５に示したワイヤレス電力供給システム１０１に比べ、スパイラルコイル１２１ａ、１３１ａにおける抵抗成分の増加（近接効果などによる増加）がないので無負荷Ｑ値が高く、結合係数ｋも高く、より高効率のワイヤレス電力供給となり得る。

また、このような構成のリピータ４は、ワイヤレス電力供給システム１で使用する周波数帯域（例えば、１００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚ）においては、特定の周波数で共振するものではなく、様々な周波数の信号を伝達可能である。従って、複数個の受電側共振器３１の各々の共振周波数を互いに異なるものとし、送電側共振器２１に付加した可変コンデンサ２１ｄにより共振周波数を変化させ、高周波電源２２の信号の周波数を変化させて所望の共振周波数の受電側共振器３１のみに電力を供給することが可能である。また、可変コンデンサ２１ｄの代わり又はそれに加えて共振周波数変動用コンデンサを複数個並列に設け、そのうちの１個又は幾つかを選択するスイッチを設けて同様のことをすることも可能である。

また、複数個の送電側装置２（及び、その中の複数個の送電側共振器２１）を備えるようにし、リピータ４における複数個の受電側リピータ平板体４２のうちの１個又は複数個を流用して複数個の送電側リピータ平板体４１にすることも可能である。そうすると、複数個の送電側共振器２１の各々の共振周波数を互いに異なるものとし、リピータ４において異なる共振周波数電力信号を同時に伝達させ、複数個の受電側共振器３１に互いに異なる共振周波数電力信号を同時に受電させることができる。

以上、本発明の実施形態に係るワイヤレス電力供給システムについて説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、場合によっては、受電側装置３を１個とすることも可能である。

１ワイヤレス電力供給システム
２送電側装置
２１送電側共振器
２１ａ送電側インダクタ
２１ｂ第１送電側共振器平板体
２１ｃ第２送電側共振器平板体
３受電側装置
３１受電側共振器
３１ａ受電側インダクタ
３１ｂ第１受電側共振器平板体
３１ｃ第２受電側共振器平板体
４リピータ
４１送電側リピータ平板体
４２受電側リピータ平板体
４３リピータの中間接続線

Claims

少なくとも１個の送電側共振器と少なくとも１個の受電側共振器とリピータを備え、前記送電側共振器から前記リピータを介して前記少なくとも１個の受電側共振器に共振によって無線で電力供給を行い得るワイヤレス電力供給システムにおいて、
前記少なくとも１個の送電側共振器は、送電側インダクタと第１送電側共振器平板体と第２送電側共振器平板体を有しており、該第１送電側共振器平板体と該第２送電側共振器平板体でコンデンサを構成し、このコンデンサと前記送電側インダクタで送電側共振回路を構成し、
前記少なくとも１個の受電側共振器は、受電側インダクタと第１受電側共振器平板体と第２受電側共振器平板体を有しており、該第１受電側共振器平板体と該第２受電側共振器平板体でコンデンサを構成し、このコンデンサと前記受電側インダクタで受電側共振回路を構成し、
前記リピータは、前記第２送電側共振器平板体から電界を通じて共振周波数電力信号がそれに対向する送電側リピータ平板体に入力され、前記共振周波数電力信号が中間接続線を通って伝達され、前記第２受電側共振器平板体に向けて電界を通じて前記共振周波数電力信号をそれに対向する受電側リピータ平板体から出力し得ることを特徴とするワイヤレス電力供給システム。