JP2022181285A - 電力伝送システム、送電装置、受電装置及び机 - Google Patents

Abstract

【課題】電極のずれによる電力伝送の効率低下を抑えることができる電力伝送システム、送電装置、受電装置及び机を提供すること。【解決手段】実施形態の電力伝送システムは、送電装置及び受電装置を含む。送電装置は、電源部及び第１の電極組を備える。電源部は、第１の電極組に交流電力を供給する。第１の電極組は、板状の第１の電極及び前記第１の電極と間隔を開けて平行に対向する板状の第２の電極を含み、前記第１の電極組と第２の電極組との電界結合を用いた無線電力伝送によって前記交流電力を前記第２の電極組に送電する。受電装置は、第２の電極組を備える。第２の電極組は、板状の第３の電極及び前記第３の電極と間隔を開けて平行に対向する板状の第４の電極を含み、前記無線電力伝送によって前記第１の電極組から送電される電力を受電する。【選択図】図２

Description

本発明は、電力伝送システム、送電装置、受電装置及び机に関する。

送電側の２枚の電極と、受電側の２枚の電極との間で電界結合させることで、ワイヤレス（無線）で電力伝送する電界結合型無線電力伝送と呼ばれる技術がある。電界結合型無線電力伝送は、電極が特定の方向にずれると他の方向に比べて電力伝送の効率が大きく低下する場合がある。

特開２０１６－１７４５２２号公報

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、電極のずれによる電力伝送の効率低下を抑えることができる電力伝送システム、送電装置、受電装置及び机を提供することである。

実施形態の電力伝送システムは、送電装置及び受電装置を含む。送電装置は、電源部及び第１の電極組を備える。電源部は、第１の電極組に交流電力を供給する。第１の電極組は、板状の第１の電極及び前記第１の電極と間隔を開けて平行に対向する板状の第２の電極を含み、前記第１の電極組と第２の電極組との電界結合を用いた無線電力伝送によって前記交流電力を前記第２の電極組に送電する。受電装置は、第２の電極組を備える。第２の電極組は、板状の第３の電極及び前記第３の電極と間隔を開けて平行に対向する板状の第４の電極を含み、前記無線電力伝送によって前記第１の電極組から送電される電力を受電する。

本発明によれば、電極のずれによる電力伝送の効率低下を抑えることができる。

実施形態に係る電力伝送システムの一例を示す斜視図。 図１中の机及び受電装置の要部回路構成などを示す図。

以下、実施形態に係る電力伝送システムについて図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態の説明に用いる各図面は、各部の縮尺を適宜変更している場合がある。また、以下の実施形態の説明に用いる各図面は、説明のため、構成を省略して示している場合がある。また、各図面及び本明細書中において、同一の符号は同様の要素を示す。
図１は、実施形態に係る電力伝送システム１の一例を示す斜視図である。電力伝送システム１は、一例として、机１００、受電装置２００、被給電機器３００及び給電ケーブル４００を含む。

机１００は、例えば、一般的な机としての機能と、受電装置２００にワイヤレスで電力を伝送する機能を備える。机１００は、一例として、天板１１０、脚１２０及び制御ボックス１３０を含む。なお、机１００は、送電装置の一例である。

天板１１０は、例えば、一般的な机の天板と同様に使用可能である。また、天板１１０は、無線電力伝送のための電極を備える。天板１１０は、一例として、第１送電電極１１１、第２送電電極１１２及び板１１３を積層した構造である。なお、天板１１０は、第１送電電極１１１の表面に、第１送電電極１１１を保護するための板、シート又は保護膜などをさらに備えていても良い。また、天板１１０は、第２送電電極１１２の表面に、第２送電電極１１２を保護するための板、シート又は保護膜などをさらに備えていても良い。

第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２は、例えば、平板状の電極である。第１送電電極１１１と第２送電電極１１２とは、例えば同じ形状である。第１送電電極１１１と第２送電電極１１２とは、板１１３を挟んで平行に対向している。すなわち、第１送電電極１１１と第２送電電極１１２とは、間隔を開けて平行に対向している。第１送電電極１１１は、天板１１０の上側にある。そして、第２送電電極１１２は、天板１１０の下側にある。なお、ここで、下とは重力が働く方向であり、上とは重力が働く方向と逆の方向である。第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２の表面の面積は、例えば、天板１１０の表面の面積と同じ又は同程度である。
なお、第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２は、第１の電極組の一例である。第１送電電極１１１は、第１の電極の一例である。第２送電電極１１２は第２の電極の一例である。

板１１３は、例えば、天板１１０の強度を保ち、天板１１０が折れるなどして破損するのを防ぐための板である。板１１３は、第１送電電極１１１と第２送電電極１１２とが短絡しないように、少なくとも一部が絶縁体である。

脚１２０は、例えば、一般的な机の脚と同様の脚である。

制御ボックス１３０は、机１００が電力を伝送するために必要な回路などが入った箱などである。制御ボックス１３０は、一例として、送電共振コイル１３１、高周波電源１３２、電源プラグ１３３及び送電制御部１３４を内部に備える。これらの説明は後述する。

受電装置２００は、机１００から送電される電力を受電する。受電装置２００は、天板１１０の任意の場所に置いて使用する。なお、受電装置２００は、複数あっても良い。受電装置２００は、１又は複数の接続端子２１０を備える。
接続端子２１０は、例えば、給電ケーブル４００を接続するためのメス側端子である。接続端子２１０は、給電ケーブル４００に電力を出力する。接続端子２１０は、例えば、ＵＳＢ（universal serial bus）などの送電が可能な接続規格の端子である。なお、接続端子２１０は、出力部の一例である。

被給電機器３００は、給電ケーブル４００を通じて入力される電力を受電する装置である。被給電機器３００は、例えば、スマートホン、タブレット端末若しくはノートＰＣなどのモバイル機器又はその他の電力で動作する機器などである。被給電機器３００は、二次電池を備えていても良い。被給電機器３００は、給電ケーブル４００を通じて入力される電力で当該二次電池を充電する。

給電ケーブル４００は、受電装置２００が出力する電力を伝送して被給電機器３００に入力する。給電ケーブル４００は例えば、ＵＳＢケーブルなどの送電が可能なケーブルである。

図２を用いて、机１００及び受電装置２００の回路部分などについて説明する。図２は、机１００及び受電装置２００の要部回路構成などを示す図である。

送電共振コイル１３１は、例えば、１次コイルと２次コイルの２つのコイルを含む。１次コイルは、一例として、高周波電源１３２と接続しているインダクターである。２次コイルは、一例として、第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２と接続しているインダクターである。第１送電電極１１１、第２送電電極１１２及び送電共振コイル１３１は、ＬＣ回路を形成している。当該ＬＣ回路を、以下「送電ＬＣ回路」という。なお、送電共振コイル１３１は、第１のインダクターの一例である。また、送電ＬＣ回路は、第１のＬＣ回路の一例である。

高周波電源１３２は、送電ＬＣ回路と受電ＬＣ回路が電界共鳴するような周波数の交流電力を、送電ＬＣ回路に供給する。当該交流電力は、例えば、送電ＬＣ回路の共振周波数ｆ０と同じ周波数の交流電力である。共振周波数ｆ０は、例えば、下式（１）で表すことができる。
ｆ０＝１／（２π（√（Ｌ・Ｃ））） （１）
なお、高周波電源１３２は、電源部の一例である。

電源プラグ１３３は、高周波電源１３２に電力を供給するために、家庭用コンセントなどに差し込むための電源プラグである。電源プラグ１３３は、家庭用コンセントを介して、商用電源から高周波電源１３２に電力を供給する。

送電制御部１３４は、例えば、机１００の動作に必要な演算及び制御などの処理を行うコンピューターなどである。送電制御部１３４は、例えば、高周波電源１３２などを制御する。

受電装置２００は、一例として、接続端子２１０、第１受電電極２２０、第２受電電極２３０、受電共振コイル２４０、整流回路２５０及び受電制御部２６０を含む。

第１受電電極２２０及び第２受電電極２３０は、例えば、平板状の電極である。第１送電電極１１１と第２送電電極１１２とは、間隔を開けて平行に対向している。受電装置２００が天板１１０上に乗せられている状態において、第１受電電極２２０及び第２受電電極２３０は、第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２と並行に対向する。なお、第１受電電極２２０及び第２受電電極２３０のうち、第１受電電極２２０が天板１１０に近い側である。すなわち、第１受電電極２２０は、第２受電電極２３０より下側にある。図２は、受電装置２００が天板１１０上に乗せられている状態における第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２並びに第１受電電極２２０及び第２受電電極２３０の位置関係を示す。
なお、第１受電電極２２０及び第２受電電極２３０は、第２の電極組の一例である。第１受電電極２２０は、第３の電極の一例である。第２受電電極２３０は第４の電極の一例である。

なお、図２には、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を示している。ｘ軸及びｙ軸は、ｚ軸に垂直な軸である。また、ｘ軸とｙ軸とは、垂直である。また、ｚ軸は、第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２並びに第１受電電極２２０及び第２受電電極２３０に垂直な軸であり、天板１１０に垂直な軸である。また、ｚ軸正方向は、上方向であり、ｚ軸負方向は、下方向である。
また、図２には、回転方向Ｒｘ、回転方向Ｒｙ及び回転方向Ｒｚも示している。回転方向Ｒｘは、ｘ軸と平行な直線を回転軸として右ねじ方向に回転する回転方向である。回転方向Ｒｙは、ｙ軸と平行な直線を回転軸として右ねじ方向に回転する回転方向である。回転方向Ｒｚは、ｚ軸と平行な直線を回転軸として右ねじ方向に回転する回転方向である。

受電共振コイル２４０は、例えば、１次コイルと２次コイルの２つのコイルを含む。１次コイルは、一例として、第１受電電極２２０及び第２受電電極２３０と接続しているインダクターである。２次コイルは、一例として、整流回路２５０と接続しているインダクターである。第１受電電極２２０、第２受電電極２３０及び第受電共振コイル２４０は、ＬＣ回路を形成している。当該ＬＣ回路を、以下「受電ＬＣ回路」という。また、受電共振コイル２４０は、受電ＬＣ回路が送電ＬＣ回路から受電した電力を整流回路２５０に出力する。なお、受電共振コイル２４０は、第２のインダクターの一例である。また、受電ＬＣ回路は、第２のＬＣ回路の一例である。

受電装置２００が天板１１０上に置かれている場合、すなわち第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２と、第１受電電極２２０及び第２受電電極２３０とが対向している場合、高周波電源１３２から送電共振回路に、共振周波数ｆ０と同じ周波数の交流電力が供給されることで、送電ＬＣ回路と受電ＬＣ回路との間で電界共鳴が生じる。これにより、送電ＬＣ回路から受電ＬＣ回路に電力が伝送される。なお、電界共鳴は、送電側の２枚の電極と、受電側の２枚の電極との間で生じる電界結合を共振（共鳴）させることで生じる。

整流回路２５０は、受電ＬＣ回路が出力する交流電力を直流に整流して接続端子２１０などの負荷に出力する。負荷は、受電ＬＣ回路によって受電された電力を消費する部分である。受電装置２００は、負荷として二次電池などを備えていても良い。当該二次電池は、整流回路２５０が出力する電力で充電される。
接続端子２１０は、整流回路２５０から供給される電力を給電ケーブル４００に出力する。

受電制御部２６０は、例えば、受電装置２００の動作に必要な演算及び制御などの処理を行うコンピューターなどである。

第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２のサイズ、並びに距離ｓが共振周波数ｆ０の波長と比べて十分小さい場合、 第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２を電荷Ｑの微小ダイポールとみなすことができる。この場合、距離ｓを隔てた大きさＱで符号が逆の２つの電荷が電界ＥＲを作ることとなる。したがって、送電ＬＣ回路と受電ＬＣ回路との間の電界ＥＲは、ダイポールモーメントｐ、距離Ｒ及び波数ｋを用いて下式（２）で表すことができる。

ここで、ダイポールモーメントｐは、ベクトルであり、下式（３）で表すことができる。
ｐ＝Ｑｓ （３）
また、電荷量Ｑは、第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２が蓄える電荷量である。ベクトルｓは、第１送電電極１１１の中心（幾何中心）から第２送電電極１１２の中心に向かうベクトルである。ベクトルｓは、例えば、ｚ軸に平行なベクトルである。

また、距離Ｒは、ダイポール中心点からの距離である。ダイポール中心点は、例えば、第１送電電極１１１の中心と第２送電電極１１２の中心とを結ぶ線分の中点である。

また、波数ｋは、下式（４）で表すことができる。
ｋ＝（２π／λ）＝（２π・ｆ０／ｃ） （４）

（２）式より、実施形態の電力伝送システム１は、受電ＬＣ回路がＲｚ方向に任意の角度回転しても送電ＬＣ回路から受電ＬＣ回路への伝送特性が変わらないことが分かる。また、実施形態の電力伝送システム１は、受電ＬＣ回路がＲｚ方向に任意の角度回転しても送電ＬＣ回路から受電ＬＣ回路への伝送特性はほとんど変わらない。したがって、実施形態の電力伝送システム１は、受電ＬＣ回路がＲｚ方向に回転しても送電ＬＣ回路から受電ＬＣ回路への無線電力伝送が可能である。

また、実施形態の電力伝送システム１は、受電ＬＣ回路がｘ、ｙ方向に移動しても、第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２と、第１受電電極２２０及び第２受電電極２３０とが対向している範囲において送電ＬＣ回路から受電ＬＣ回路への無線電力伝送が可能である。

以上より、実施形態の電力伝送システム１は、受電装置２００が天板１１０上のどの位置に置かれていても、机１００から受電装置２００への無線電力伝送が可能である。また、これにより、受電装置２００を天板１１０上の様々な位置に移動させることで、様々な位置にある被給電装置が受電装置２００から給電を受けることが可能である。

また、実施形態の電力伝送システム１は、受電装置２００が複数あっても良い。受電装置２００が複数ある場合、天板１１０上の離れた２か所以上の場所に受電装置２００を置くことが可能である。この場合、天板１１０上の離れた２か所以上の場所にある複数の被給電装置が受電装置２００から給電を受けることが可能である。

上記の実施形態は、以下のような変形も可能である。
上記の実施形態では、電力伝送システムは、電界共鳴によって電力を伝送する。しかしながら、実施形態の電力伝送システムは、電界共鳴でない電界結合によって電力を伝送するものであっても良い。また、実施形態の電力伝送システムのよる電力伝送は、電界共鳴でない電界結合による電力伝送と、電界共鳴による電力伝送が混在していても良い。なお、電界共鳴は、電界結合の一種である。

第１送電電極１１１、第２送電電極１１２、第１受電電極２２０及び第２受電電極２３０の各電極の形状は、平板ではない板状であっても良い。例えば、各電極は、表面が曲面である板状の電極であっても良い。当該曲面は、例えば、球面、楕円面、放物面、双曲面、円柱面、鞍型の曲面、波型の曲面、凹凸のある曲面又はその他の曲面である。

被給電機器は、充電装置を備えていても良い。この場合、被給電機器は、天板１１０上に置かれていれば、机１００から無線伝送される電力を受電することが可能である。

上記の実施形態では、机の天板が第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２を備える。しかしながら、机の天板以外に限らず、床若しくは壁などの建物の一部、机以外の家具又はカーペットなどが第１送電電極１１１及び第２送電電極１１２を備えていても良い。また、当該建物、家具、又はカーペットなどは、送電共振コイル１３１、高周波電源１３２、電源プラグ１３３及び送電制御部１３４なども備える。

以上、本発明の実施形態を説明したが、例として示したものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施可能である。

１ 電力伝送システム
１００ 机
１１０ 天板
１１１ 第１送電電極
１１２ 第２送電電極
１１３ 板
１２０ 脚
１３０ 制御ボックス
１３１ 送電共振コイル
１３２ 高周波電源
１３３ 電源プラグ
１３４ 送電制御部
２００ 受電装置
２１０ 接続端子
２２０ 第１受電電極
２３０ 第２受電電極
２４０ 受電共振コイル
２５０ 整流回路
２６０ 受電制御部
３００ 被給電機器
４００ 給電ケーブル

Claims (7)

1. 送電装置及び受電装置を含み、
   前記送電装置は、
   第１の電極組に交流電力を供給する電源部と、
   板状の第１の電極及び前記第１の電極と間隔を開けて平行に対向する板状の第２の電極を含み、前記第１の電極組と第２の電極組との電界結合を用いた無線電力伝送によって前記交流電力を前記第２の電極組に送電する前記第１の電極組と、を備え
   前記受電装置は、
   板状の第３の電極及び前記第３の電極と間隔を開けて平行に対向する板状の第４の電極を含み、前記無線電力伝送によって前記第１の電極組から送電される電力を受電する前記第２の電極組を備える、電力伝送システム。
2. 前記送電装置は、前記第１の電極組と接続している第１のインダクターをさらに備え、
   前記受電装置は、前記第２の電極組と接続している第２のインダクターをさらに備え、
   前記交流電力は、前記第１の電極組及び前記第１のインダクターからなる第１のＬＣ回路と、前記第２の電極組及び前記第２のインダクターからなる第２のＬＣ回路とが電界共鳴する周波数の交流電力であり、
   前記第１の電極組は、前記電界共鳴を用いた前記無線電力伝送によって前記交流電力を前記第２の電極組に送電する、請求項１に記載の電力伝送システム。
3. 複数の前記受電装置を含む、請求項１又は請求項２に記載の電力伝送システム。
4. 前記受電装置は、前記第２の電極組によって受電された電力を出力する出力部をさらに備える、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
5. 第１の電極組に交流電力を供給する電源部と、
   板状の第１の電極及び前記第１の電極と間隔を開けて平行に対向する板状の第２の電極を含み、前記第１の電極組と、板状の第３の電極及び前記第３の電極と間隔を開けて平行に対向する板状の第４の電極を含む第２の電極組との電界結合による無線電力伝送によって前記交流電力を前記第２の電極組に送電する前記第１の電極組と、を備える送電装置。
6. 板状の第３の電極及び前記第３の電極と間隔を開けて平行に対向する板状の第４の電極を含み、板状の第１の電極及び前記第１の電極と間隔を開けて平行に対向する板状の第２の電極を含む第１の電極組と、第２の電極組との電界結合を用いた無線電力伝送によって前記第１の電極組から送電される電力を受電する前記第２の電極組を備える受電装置。
7. 天板と、
   第１の電極組に交流電力を供給する電源部と、
   前記天板に備えられ、板状の第１の電極及び前記第１の電極と間隔を開けて平行に対向する板状の第２の電極を含み、前記第１の電極組と、板状の第３の電極及び前記第３の電極と間隔を開けて平行に対向する板状の第４の電極を含む第２の電極組との電界結合による無線電力伝送によって前記交流電力を前記第２の電極組に送電する前記第１の電極組と、を備える、机。
   

Images