JP5354874B2 - 誘導電力給電システム - Google Patents

Description

本発明は、電力を無線誘導手段を介して空間を越えて電気装置に給電する誘導電力給電システムに関する。

誘導電力給電システムは、空気中を、一次巻線を有する一つの装置から空間を隔てた他の装置へ、その装置に設置した二次巻線に電磁誘導を発生させることで電気エネルギーを伝達する。誘導電力給電システムは、空間を隔てて対向する一次巻線から二次巻線に電力を供給することで、それらの装置同士の電気端子同士を接触させずに電力を伝送するので、電気端子の接点の接触不良が発生しない利点がある。その利点を生かして、歯ブラシや携帯電話などに誘導電力給電システムが使用されている。

従来の誘導電力給電システムは、特許文献１では、電源装置内のエネルギーを、電源装置に設置した一次巻線から、被給電装置に設置した二次巻線に、電磁誘導により伝達させる。被給電装置の二次巻線は、電源装置の一次巻線から物理的に間隔をあけて配置され、大気を通じて、誘導結合させる。被給電装置の二次巻線は両端を電子回路の端子に接続する閉路ループのコイルを用いていた。

また、特許文献２では、被給電装置に二次巻線の代わりにスパイラルアンテナを設置し、その長さの４倍の波長の電磁波を電源装置から供給し、それにスパイラルアンテナを共振させることでアンテナの実効面積を大きくし、電源装置から供給された電磁波の空間エネルギーを吸収させていた。

以下に公知文献を記す。
特表２００６−５１７７７８号公報 特表２００６−５２６９７９号公報

しかし、特許文献１の技術では、一次巻線と二次巻線のコイルの巻線の中心位置が外れると、一次巻線が発生する磁束の一部が二次巻線を通過しないため、電子回路が一次巻線に供給する電力の全部は二次巻線を設置した被給電装置に供給できない問題があった。また、一次巻線のコイルと二次巻線のコイル間の距離が離れると、一次巻線が発生する磁束の一部が二次巻線を通過しなくなり、電力の全部は二次巻線を設置した被給電装置に供給できなくなる問題があった。

また、特許文献２の技術では、スパイラルアンテナは、配線の両端に給電線を接続しているため、そのスパイラルアンテナの共振の際に、そのアンテナに給電線が接続する給電点のインピーダンスが高くなり、給電線に供給する電力の電圧が高くなるので、そのスパイラルアンテナで電力を伝送する誘導電力給電システムで用いる電子部品には大きな耐電圧特性を必要とする問題があった。

そのため、本発明の解決する課題は、比較的低いインピーダンスで整合して良い効率で空間電力を伝送する共振アンテナ系を用いた誘導電力給電システムを得ることにある。

本発明は、この課題を解決するために、送信アンテナから受信アンテナまで空間をエネルギー伝送する誘導電力給電システムにおいて、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、一方向に回転する向きにコイル状に巻かれた配線の中程に給電点を設置して成り、前記コイル状に巻かれた配線の両端は開放されるか又はコンデンサで結ばれ、前記送信アンテナと前記受信アンテナを、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナが共振する電磁界の波長より十分短い距離で隔てて配置し、前記送信アンテナの給電点に接続する電源回路の出力インピーダンスを抵抗性の所定値以下にし、かつ、前記受信アンテナの給電点に接続する負荷回路の入力インピーダンスを抵抗性の所定値以下にすることで、前記電源回路から前記負荷回路への電力の伝送効率が２つの周波数でピークを持つように設定し、前記電源回路から前記送信アンテナに前記２つの周波数の何れかの周波数で電力を供給して両アンテナを共振させて前記電源回路から前記負荷回路まで電力を伝送することを特徴とする誘導電力給電システムである。

また、本発明は、上記送信アンテナ又は前記受信アンテナの前記給電点に両端を接続する追加ループ配線を加えたことを特徴とする上記の誘導電力給電システムである。

また、本発明は、上記送信アンテナ又は上記受信アンテナが、平行な２面に形成して面上の配線領域が重なり合うコイル状の配線を接続して成ることを特徴とする上記の誘導電力給電システムである。

本発明は、両端を有する配線をコイル状に巻いて、その配線の中程に給電線を接続したアンテナを利用して空間エネルギーを伝送することで、そのアンテナに接続する電子装置の電源回路のインピーダンスに整合し易い低めのインピーダンスで整合したアンテナ間でエネルギーを伝送できる効果がある。また、本発明は、そのアンテナの給電線の接続部に並列に追加ループ配線を加えることで、そのアンテナが相手のアンテナと最大の効率でエネルギーを送受する整合インピーダンスを自由に調整できる効果がある。それにより、本発明のアンテナを用いたエネルギー伝送システムのインピーダンスを電子装置のインピーダンスに容易に整合できる効果がある。

＜第１の実施形態＞
図１に、本発明の第１の実施形態の誘導電力給電システムのブロック図を示す。誘導電力給電システムは、送信アンテナ１に接続した電源回路２と、受信アンテナ３に接続した負荷回路４から成り、非接触電源回路２から負荷回路４に電力を供給する。図２に、送信アンテナ１と受信アンテナ３の形状と配置の構造を示す。図２では、送信アンテナ１として、縦横４１ｍｍの３巻のコイルの配線の両端点を開放し、そのコイルの配線の中心に電源回路２から給電する送信アンテナ１を用いる。送信アンテナ１のコイルの材質は銅で形成し、コイルの配線の幅が１ｍｍで厚さが２０μｍのコイルを用いる。受信アンテナ３も送信アンテナ１と同じ形のコイルで形成し、そのコイルの配線の中心から負荷回路４に電力を取り出す。送信アンテナ１と受信アンテナ３は１０ｍｍ離して平行に配置する。

図３に、この実施形態の、電源回路２から負荷回路４までの電力の伝送効率のシミュレーション結果のグラフを示す。電力の伝送効率はＳ２１をｄＢ（デシベル）であらわす。０ｄＢの場合は、１００％電力が伝送され、−３ｄＢの場合は、５０％、−１０ｄＢの場合は１０％の電力が伝送されることをあらわす。図３では、電源回路２の出力インピーダンスＺ１と、負荷回路４の入力インピーダンスＺ２が等しいインピーダンスＺの場合で、種々のインピーダンスＺの場合について、電力の伝送効率のグラフを示す。本実施形態では、図３のグラフの２山のピークのうち、周波数が高い方のピークの周波数の２５８ＭＨｚで電力伝送を行う。この２山のピークの周波数は、送信アンテナ１と受信アンテナ３の間の距離を変えることで変わる。その周波数変化への対応は、送信アンテナ１の共振電流を送信アンテナ１へ供給する高周波の発振回路にフィードバックすることで、電源回路２が、アンテナ対の共振周波数に適合した周波数を発振して電力を供給するようにすることができる。シミュレーション結果のグラフから、周波数が２５８ＭＨｚのＳ２１は、Ｚが５Ωの場合−１ｄＢであり、約８０％の電力を伝送できることがわかる。Ｚが２０Ωの場合−０．２ｄＢであり約９５％、Ｚが１００Ωの場合−０．４ｄＢであり約９１％の電力を伝送する。

（変形例１）
また、図４には、電源回路２の出力インピーダンスＺ１が３０Ωで、負荷回路４の入力インピーダンスＺ２が６０Ωで、電源回路２と負荷回路４のインピーダンスが異なる場合の電力伝送効率をあらわすグラフを示す。このように両者のインピーダンスが異なっても、周波数２５８ＭＨｚの場合のＳ２１は−０．６４ｄＢであり約８６％の電力を伝送できる。

このように、この送信アンテナ１と受信アンテナ３を用いて、周波数が２５８ＭＨｚの高周波で電力を伝送すると、電源回路２および負荷回路４のインピーダンスＺ１およびＺ２が所定範囲内にあれば、電力を効率良く伝送できる。この効果は、アンテナが共振する波長に比べて十分短い距離で近接したアンテナ対間で電力を伝送する場合に得られる効果である。本実施形態では、周波数２５８ＭＨｚの電磁界の波長は約１．２ｍの波長であり、その周波数で共振するアンテナ対の間隔が１０ｍｍであり、その間隔は波長の約１００分の１であり、波長に比べて十分短い間隔である。本実施形態では、１０ｍｍの間隙を隔てて非接触で電力を伝送できるので、例えば、生体の組織を隔てて、生体内に埋め込んだ受信アンテナ２４と装置の負荷回路４に、生体外の電源回路２から１０ｍｍの厚さの生体組織を隔ててコードレスで生体内の装置に電力を供給できる効果がある。そして、生体内に埋め込む受信アンテナ２４は、縦横４１ｍｍで厚さが２０μｍで薄いアンテナであるため、生体内で占有する体積が小さく、生体への親和性が良い効果がある。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態は、送信アンテナ１として、縦横４７０ｍｍの７巻のコイルの配線の両端点を開放し、そのコイルの配線の中心に電源回路２から給電する送信アンテナ１を用いる。このコイルは材質が銅で、コイルの配線の幅が１０ｍｍで厚さが５０μｍのコイルである。受信アンテナ３も送信アンテナ１と同じ形のコイルで形成し、そのコイルの配線の中心から負荷回路４に電力を取り出す。送信アンテナ１と受信アンテナ３は１００ｍｍ離して平行に配置する。

図５に、この実施形態の、電源回路２から負荷回路４までの電力の伝送効率のシミュレーション結果のグラフを示す。電力の伝送効率はＳ２１をｄＢ（デシベル）であらわす。図５では、電源回路２の出力インピーダンスＺ１と、負荷回路４の入力インピーダンスＺ２が等しいインピーダンスＺの場合で、種々のインピーダンスＺの場合について、電力の伝送効率のグラフを示す。本実施形態では、図５のグラフの２山のピークのうち、周波数が低い方のピークの周波数の１０．６ＭＨｚで電力を伝送する。シミュレーション結果のグラフから、周波数が１０．６ＭＨｚのＳ２１は、Ｚが４Ωの場合−１ｄＢであり約８０％の電力を伝送できることがわかる。Ｚが３０Ωの場合−０．２ｄＢであり約９５％、Ｚが１２０Ωの場合−１．０６ｄＢであり約７８％の電力を伝送する。

本実施形態では、周波数１０．６ＭＨｚの電磁界の波長は約２８ｍの波長であり、その周波数で共振するアンテナ対の間隔が１００ｍｍであり、その間隔は波長の約３００分の１であり、波長に比べて十分短い間隔である。本実施形態では、１００ｍｍの間隙を隔てて非接触で効率的に電力を伝送できる効果がある。例えば、家屋の壁に配線のための孔をあけずに、家屋の外の照明装置や表示装置などの屋外の装置の負荷回路４に、家屋内の電源回路２から１００ｍｍ程度の厚さの壁を隔てて非接触で電力を供給できる効果がある。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態は、送信アンテナ１は、図６のように、３７ｍｍ□の１巻コイルの配線の両端部を３ｐＦのコンデンサで接続する。なお、送信アンテナ１のコイルの配線の中心部分を電源回路２に接続する。受信アンテナ３は、第１の実施形態と同じ、縦横４１ｍｍの３巻のコイルの配線の両端点を開放した受信アンテナ３を用いる。送信アンテナ１の１巻コイルは、受信アンテナ３の３巻コイルの配線長さより短いが、送信アンテナ１の両端を３ｐＦのコンデンサで接続することで、受信アンテナ３と同じ周波数で共振する。そして、送信アンテナ１のコイルは１巻のコイルであり、受信アンテナ３のコイルが３巻であるので、送信アンテナ１側のインピーダンスよりも受信アンテナ３側の負荷回路４のインピーダンスが高い値でインピーダンスが整合する効果がある。

図７に、この実施形態の、電源回路２から負荷回路４までの電力の伝送効率のシミュレーション結果のグラフを示す。図７では、電源回路２の出力インピーダンスＺ１と、負荷回路４の入力インピーダンスＺ２を変えて、種々のインピーダンスの場合について、電力の伝送効率のグラフを示す。本実施形態では、図７のグラフの２山のピークのうち、周波数が高い方のピークの周波数の２７７ＭＨｚで電力を伝送する。シミュレーション結果のグラフから、周波数が２７７ＨｚのＳ２１は、Ｚ１が０．２Ωの場合にＺ２が１．６Ωの場合にインピーダンスが良く整合し、そのときのＳ２１は−０．６ｄＢであり約８７％の電力を伝送できることがわかる。Ｚ１が４Ωの場合は、Ｚ２が３２Ωが良く整合し、Ｓ２１が−０．０７ｄＢであり約９８％の電力を伝送でき、Ｚ１が２５Ωの場合に整合するＺ２は２００Ωであり、そのときのＳ２１は−０．６３ｄＢであり約８６％の電力を伝送できる。このように、シミュレーションの結果、電源回路２の出力インピーダンスＺ１と、負荷回路４の入力インピーダンスＺ２の間には、Ｚ２＝Ｚ１×８の場合に効率良くエネルギーを伝送できるが、その比率は概ねアンテナのコイルの巻数の二乗に比例する知見を得た。

図８に、２７７ＭＨｚのＳ２１の値を、横軸にインピーダンスＺ２（それはＺ１の８倍が良く整合する）を変えた場合のグラフであらわす。図８の記号（ａ）から（ｃ）は、図７（ａ）から（ｃ）の場合をあらわす。この図８のように、この誘導電力給電システムは、電源回路２および負荷回路４に、所定の範囲のインピーダンスを用いることで、効率良いエネルギー伝送が行える。

本実施形態では、送信アンテナ１の両端をコンデンサで接続することで、共振周波数を低くし、アンテナの長さの短い送信アンテナ１を、受信アンテナ３と同じ周波数で共振させて用いることができる効果がある。受信アンテナ３についても、そのコイルの配線の両端をコンデンサで接続することで共振周波数を低くすることができる。このように、コイル状配線で形成したアンテナの両端にコンデンサを接続することで、そのアンテナの共振周波数を低くすることができる。本実施形態では２７７ＭＨｚの電磁界の誘導を利用して非接触で電源回路２から負荷回路４までエネルギーを伝送する場合を示したが、受信アンテナ３の両端をコンデンサで接続し、また、送信アンテナ１の両端を接続するコンデンサの容量を３ｐＦよりも高くすることで、アンテナの共振周波数を一桁近く低くし、その低い周波数の電磁界でエネルギーを伝送できる効果がある。

＜第４の実施形態＞
第４の実施形態は、図９のように、送信アンテナ１と受信アンテナ３として、縦横４７ｍｍの両面で１４巻のコイルの配線の両端点を開放し、そのコイルの配線の中心に電源回路２から給電する送信アンテナ１と中心を負荷回路４に接続する受信アンテナを用いる。図９のように、送信アンテナ１と受信アンテナ３は横に２０ｍｍ離して併設する。すなわち、両アンテナの中心の間隔は６７ｍｍあり、アンテナの寸法４７ｍｍより大きい。

本実施形態では、電源回路２の出力インピーダンスＺ１と、負荷回路４の入力インピーダンスＺ２が等しいインピーダンスＺ＝７Ωの場合に、共振周波数での電力伝送の効率が最大になる。図１０に、その場合の、電源回路２から負荷回路４までの電力の伝送効率のシミュレーション結果のグラフを示す。本実施形態では、図１０のグラフのピーク周波数は２３．８ＭＨｚで電力を伝送する。シミュレーション結果のグラフからＳ２１は−０．７３ｄＢであり約８５％の電力を伝送できる。

本実施形態では、周波数２３．８ＭＨｚの電磁界の波長は約１３ｍの波長であり、その周波数で共振するアンテナ対が横に２０ｍｍ隔てて併設され、両アンテナの中心の間隔は６７ｍｍであり、波長の約１９０分の１であり、波長に比べて十分短い間隔である。本実施形態では、このようにコイル状アンテナ同士を併設して、また、アンテナの寸法より大きな距離を隔てても、電力を約８５％の効率で伝送できる。また、アンテナ間の距離を離すにつれ、電力を効率良く伝送するには、電源回路２および負荷回路４のインピーダンスを下げて整合させる必要がある。インピーダンスを下げれば電力を効率良く伝送できる効果がある。

＜第５の実施形態＞
第５の実施形態は、送信アンテナ１と受信アンテナ３として、第６の実施形態のアンテナの中央部において給電線が接続する給電点に、並列に１３ｍｍ□の追加ループ配線を加える。この配線を追加することで、共振周波数で電力伝送の効率が最大になる電源回路２の出力インピーダンスＺ１と、負荷回路４の入力インピーダンスＺ２は１６Ωになり、第６の実施形態の約２倍になる。この追加ループ配線の長さ（大きさ）を変えることで、電力伝送の効率を最大にするインピーダンスを自由に調整することができる。第４の実施形態では、電力伝送の効率を最大にするインピーダンスは７Ωであり、低めの値であったが、本実施形態では、送信アンテナ１と受信アンテナ３の給電点に並列に追加ループ配線を追加することで、電力伝送に整合するインピーダンスを、利用し易い適度な大きさにまで自由に高めることができる効果がある。

本発明は、ディスプレイ装置等に壁を隔てて誘導エネルギーを供給する用途に適用できる。また、生体への非侵襲なシステム構成で、生体内に埋め込んだ電子装置にエネルギーを供給する用途に適用できる。

本発明の第１の実施形態の誘導電力給電システムのブロック図である。 本発明の第１の実施形態の誘導電力給電システムの送信アンテナと受信アンテナの平面図および側面図である。 本発明の第１の実施形態の電力伝送効率の周波数特性のグラフである。 本発明の第１の実施形態の変形例１の電力伝送効率の周波数特性のグラフである。 本発明の第２の実施形態の電力伝送効率の周波数特性のグラフである。 本発明の第３の実施形態の誘導電力給電システムの送信アンテナと受信アンテナの平面図および側面図である。 本発明の第３の実施形態の電力伝送効率の周波数特性のグラフである。 本発明の第３の実施形態の電力伝送効率のインピーダンス特性のグラフである。 本発明の第４の実施形態の誘導電力給電システムの送信アンテナと受信アンテナの平面図である。 本発明の第４の実施形態の電力伝送効率の周波数特性のグラフである。

符号の説明

１・・・送信アンテナ
２・・・電源回路
３・・・受信アンテナ
４・・・負荷回路

Claims (3)

1. 送信アンテナから受信アンテナまで空間をエネルギー伝送する誘導電力給電システムにおいて、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、一方向に回転する向きにコイル状に巻かれた配線の中程に給電点を設置して成り、前記コイル状に巻かれた配線の両端は開放されるか又はコンデンサで結ばれ、前記送信アンテナと前記受信アンテナを、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナが共振する電磁界の波長より十分短い距離で隔てて配置し、前記送信アンテナの給電点に接続する電源回路の出力インピーダンスを抵抗性の所定値以下にし、かつ、前記受信アンテナの給電点に接続する負荷回路の入力インピーダンスを抵抗性の所定値以下にすることで、前記電源回路から前記負荷回路への電力の伝送効率が２つの周波数でピークを持つように設定し、前記電源回路から前記送信アンテナに前記２つの周波数の何れかの周波数で電力を供給して両アンテナを共振させて前記電源回路から前記負荷回路まで電力を伝送することを特徴とする誘導電力給電システム。
2. 前記送信アンテナ又は前記受信アンテナの前記給電点に両端を接続する追加ループ配線を加えたことを特徴とする請求項１記載の誘導電力給電システム。
3. 前記送信アンテナ又は前記受信アンテナが、平行な２面に形成して面上の配線領域が重なり合うコイル状の配線を接続して成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導電力給電システム。

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