JP5449503B1

JP5449503B1 - 無線電力伝送による多重化伝送システム

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Publication number: JP5449503B1
Application number: JP2012240769A
Authority: JP
Inventors: 好幸阿久澤; 良幸高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: JP2014090650A

Abstract

【課題】固定した一つの送信周波数により高効率な多重化電力伝送を可能とする。
【解決手段】単一周波数の電力を供給する一次送信電源１と、一次送信電源１からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナ５、及び、対となる送信アンテナ５からの電力を受信する複数系統の受信アンテナ６からなる送受信部３と、対となる送信アンテナ５の共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路２と、対となる受信アンテナ６の共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路４とを備え、送受信部３は、系統ごとの送信アンテナ５と受信アンテナ６間が等長化され、隣接する系統間における結合係数が所定値以下となるよう当該系統間のアンテナ位置が離された。
【選択図】図１

Description

この発明は、非接触で電力を多重化して伝送する無線電力伝送による多重化伝送システムに関するものである。

従来の無線電力伝送では、一対の送受系統に固有の共振周波数を使用して伝送を行っている。この無線電力伝送に対し、多重化伝送を可能としたものが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に開示された装置では、送信部に互いに異なる周波数の交流電流を出力する複数の交流電源を備え、この複数の交流電流を周波数多重することで多重化伝送を実現している。

特開２０１２−３９８１５号公報

しかしながら、特許文献１に開示される方法では、送信部にて異なる周波数の交流電流を流すため、使用する周波数帯域幅を広くとる必要がある。したがって、電波法の規制を満足する設計を行うためには、送信電力の小電力化や漏洩電磁界のシールド構造などが必要であり、製品化が困難であるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、固定した一つの送信周波数により高効率な多重化電力伝送を可能とする無線電力伝送による多重化伝送システムを提供することを目的としている。

この発明に係る無線電力伝送による多重化伝送システムは、単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、一次送信電源からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナ、及び、対となる送信アンテナからの電力を受信する複数系統の受信アンテナからなる送受信部と、対となる送信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路と、対となる受信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路とを備え、送受信部は、系統ごとの送信アンテナと受信アンテナ間が等長化され、隣接する系統間における結合係数が所定値以下となるよう当該系統間のアンテナ位置が離されたものである。

また、この発明に係る無線電力伝送による多重化伝送システムは、単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、一次送信電源からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナ、及び、対となる送信アンテナからの電力を受信する複数系統の受信アンテナからなる送受信部と、対となる送信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路と、対となる受信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路とを備え、送受信部は、系統ごとの送信アンテナ及び受信アンテナが直列共振回路又は並列共振回路で構成され、隣接する系統間で異なる回路となるよう配置されたものである。

また、この発明に係る無線電力伝送による多重化伝送システムは、単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、一次送信電源からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナ、及び、対となる送信アンテナからの電力を受信する複数系統の受信アンテナからなる送受信部と、対となる送信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路と、対となる受信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路と、送受信部の隣接する系統間のうち一方に設けられ、対となる送信アンテナと受信アンテナ間に配置された中継アンテナとを備えたものである。

また、この発明に係る無線電力伝送による多重化伝送システムは、単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、一次送信電源からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナ、及び、対となる送信アンテナからの電力を受信する複数系統の受信アンテナからなる送受信部と、対となる送信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路と、対となる受信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路と、送受信部の各送信アンテナ間及び各受信アンテナ間に各々配置された電磁シールド材とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、固定した一つの送信周波数により高効率な多重化電力伝送を可能とすることができ、電波法の規制を満足した設計を行うことが容易に可能となる。その結果、送信電力の大電力化や電磁シールド構造の簡易化などが可能となり、複雑な設計を必要としない低コストの製品化を実現できる。

この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送による多重化伝送システムの構成を示す模式図である。この発明の実施の形態２における送受信部の構成を示す模式図である。この発明の実施の形態３における送受信部の構成を示す模式図である。この発明の実施の形態４における送受信部の構成を示す模式図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る無線電力伝送による多重化伝送システムの構成を示す模式図である。
無線電力伝送による多重化伝送システムは、電気信号を含む複数系統の電力を並列に無線伝送する装置である。この無線電力伝送による多重化伝送システムは、図１に示すように、一次送信電源１、送信電源回路２、送受信部３及び受信電源回路４から構成されている。また、送受信部３は、送信アンテナ５及び受信アンテナ６を有している。そして、多重化伝送システムは、多重化伝送を行うため、送信電源回路２、送信アンテナ５、受信アンテナ６及び受信電源回路４を各々複数系統有している（図１の例では３系統設けた場合を示し、各機能部の符号に接尾記号ａ〜ｃを付している）。

一次送信電源１は、各送信電源回路２を介して各送信アンテナ５に対し、単一周波数の電力を供給するものである。
送信電源回路２は、一次送信電源１と送信アンテナ５間に配置され、共鳴インピーダンス制御により、対となる送信アンテナ５の共振条件を成立させるものである。この際、共振周波数への同調を行う。

送信アンテナ５は、対となる送信電源回路２を介して一次送信電源１から供給された電力を、受信アンテナ６に無線伝送するものである。
受信アンテナ６は、対となる送信アンテナ５からの電力を受信するものである。この受信アンテナ６により受信された電力は受信電源回路４を介して負荷機器等（不図示）に供給される。
この送信アンテナ５及び受信アンテナ６のアンテナ配置については後述する。

受信電源回路４は、受信アンテナ６と負荷機器等間に配置され、入力インピーダンス制御により、対となる受信アンテナ６の共振条件を成立させるものである。この際、共振周波数（図１に示すｆｏ１＝ｆｏ２＝ｆｏ３）の同調を行う。
なお、送受信部３の無線伝送方式は特に限定されるものではなく、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、電磁誘導による方式のいずれであってもよい。

次に、送信アンテナ５及び受信アンテナ６のアンテナ配置について説明する。
送受信部３では、図１に示すように、系統ごとの送信アンテナ５と受信アンテナ６間の距離は等長化され、隣接する系統間における結合係数が所定値以下となるよう当該系統間のアンテナ位置が任意の方向に離されている。この系統間のアンテナ位置は、送信アンテナ５及び受信アンテナ６の放射面の面積の面積をＳとしたとき、距離ｒ＝√（Ｓ／π）以上離された位置である。例えば、送信アンテナ５及び受信アンテナ６として円形のアンテナを用いた場合には、アンテナ位置は当該円の半径以上離されることになる。これにより、各系統における相互干渉を回避することができ、多重化電力伝送が可能となる。
なお図１では、系統ごとの送信アンテナ５及び受信アンテナ６を伝送路に対して略水平にずらして配置した場合について示している。

以上のように、この実施の形態１によれば、系統ごとの送信アンテナ５と受信アンテナ６間を等長化し、隣接する系統間における結合係数が所定値以下となるよう当該系統間のアンテナ位置を離すように構成したので、固定した一つの送信周波数により高効率な多重化電力伝送を可能となり、ＩＳＭ帯などを使用することにより電波法の規制を満足した設計を行うことが容易に可能となる。その結果、送信電力の大電力化や電磁シールド構造の簡易化などが可能となり、複雑な設計を必要としない低コストの製品化を実現できる。

実施の形態２．
実施の形態１では、各系統のアンテナ位置をずらすことで相互干渉を回避する場合について示した。それに対して、実施の形態２では、各系統のアンテナ５，６を直列共振回路又は並列共振回路で構成し、それを交互に配置することで、系統間の相互干渉を回避する場合について示す。
なお、実施の形態２に係る無線電力伝送による多重化伝送システムは、図１に示す実施の形態１に係る無線電力伝送による多重化伝送システムの構成と同様であり、その説明を省略する。

送受信部３の構成について、図２を参照しながら説明する。図２はこの発明の実施の形態２における送受信部３の構成を示す模式図である。なお、図２の例では、送受信部３を３系統とした場合を示し、各機能部の符号に接尾記号ａ〜ｃを付している。また、各送信アンテナ５ａ〜５ｃのコンデンサＣおよびコイルＬには、符号に接尾記号１〜３を付し、各受信アンテナ６ａ〜６ｃのコンデンサＣおよびコイルＬには、符号に接尾記号１１〜１３を付している。

実施の形態２における送受信部３は、図２に示すように、系統ごとの送信アンテナ５及び受信アンテナ６が直列共振回路又は並列共振回路で構成され、隣接する系統間で異なる回路となるよう配置されている。
ここで、直列共振回路を用いた場合と並列共振回路を用いた場合では、電流の位相が変わるため、磁束の発生するタイミングが変わる。よって、図２に示す例のように直列共振回路及び並列共振回路を配置することで、各系統における相互干渉を回避することができ、多重化電力伝送が可能となる。

以上のように、この実施の形態２によれば、系統ごとの送信アンテナ５及び受信アンテナ６が直列共振回路又は並列共振回路で構成し、隣接する系統間で異なる回路となるよう配置するように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態１では各系統のアンテナ位置をずらすことで、実施の形態２では直列共振回路と並列共振回路を交互に配置することで、相互干渉を回避する場合について示した。それに対して、実施の形態３では、隣接する系統のうち一方にのみ中継アンテナ７を設けることで、系統間の相互干渉を回避する場合について示す。
なお、実施の形態３に係る無線電力伝送による多重化伝送システムは、図１に示す実施の形態１に係る無線電力伝送による多重化伝送システムの構成と同様であり、その説明を省略する。

送受信部３の構成について、図３を参照しながら説明する。図３はこの発明の実施の形態３における送受信部３の構成を示す模式図である。なお、図３の例では、送受信部３を３系統とした場合を示し、各機能部の符号に接尾記号ａ〜ｃを付している。

実施の形態３における送受信部３は、図３に示すように、送受信部３の隣接する系統のうち一方に設けられ、対となる送信アンテナ５と受信アンテナ６間に配置された中継アンテナ７を備えている。図３に示す例では、第１の系統の送信アンテナ５ａと受信アンテナ６ａ間、及び、第３の系統の送信アンテナ５ｃと受信アンテナ６ｃ間には、中継アンテナ７が配置され、第２の系統の送信アンテナ５ｂと受信アンテナ６ｂ間には中継アンテナ７が配置されていない。そして、第１の系統では送信アンテナ５ａ、中継アンテナ７及び受信アンテナ６ａを１セットとして共振条件が成立するように制御を行い、第３の系統では送信アンテナ５ｃ、中継アンテナ７及び受信アンテナ６ｃを１セットとして共振条件が成立するように制御を行う。また、第２の系統では、送信アンテナ５ｂ及び受信アンテナ６ｂを１セットとして共振条件が成立するように制御を行う。
これにより、第１，３の系統と第２の系統では、周波数は同一であるがインピーダンスが変わる。そのため、電流の位相が変わり、磁束の発生タイミングが変わることになる。よって、各系統における相互干渉を回避することができ、多重化電力伝送を可能とすることができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、隣接する系統のうち一方に設けられ、対となる送信アンテナ５と受信アンテナ６間に配置された中継アンテナ７を備えるように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
実施の形態１では各系統のアンテナ位置をずらすことで、実施の形態２では直列共振回路と並列共振回路を交互に配置することで、実施の形態３では中継アンテナ７を交互に配置することで、相互干渉を回避する場合について示した。それに対して、実施の形態４では、送信アンテナ５間及び受信アンテナ６間に電磁シールド材８を設けることで、系統間の相互干渉を回避する場合について示す。
なお、実施の形態４に係る無線電力伝送による多重化伝送システムは、図１に示す実施の形態１に係る無線電力伝送による多重化伝送システムの構成と同様であり、その説明を省略する。

送受信部３の構成について、図４を参照しながら説明する。図４はこの発明の実施の形態３における送受信部３の構成を示す模式図である。なお、図４の例では、送受信部３を３系統とした場合を示し、各機能部の符号に接尾記号ａ〜ｃを付している。

実施の形態４における送受信部３は、図４に示すように、各送信アンテナ５間及び各受信アンテナ６間に各々配置された電磁シールド材８が備えられている。これにより、各系統における相互干渉を回避することができ、多重化電力伝送を可能とすることができる。
なお、電磁シールド材８の透磁率は、必要とする伝送効率に応じて適宜設定する。また、送信側の電磁シールド材８ａおよび受信側の電磁シールド材８ｂは同一の部材で構成してもよいし、異なる部材で構成してもよい。

以上のように、この実施の形態４によれば、各送信アンテナ５間及び各受信アンテナ６間に各々配置された電磁シールド材８を備えるように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態１〜４では、各系統のアンテナ位置をずらす場合、直列共振回路と並列共振回路を交互に配置する場合、中継アンテナ７を交互に配置する場合、送信アンテナ５間及び受信アンテナ６間に電磁シールド材８を配置する場合について別々に示したが、相互に組み合わせてもよい。

また、実施の形態１〜４では、送信アンテナ５及び受信アンテナ６を各々単一のコイルから構成する場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、各コイルを、各々例えば給電用コイル及び共鳴用コイルから構成してもよく、２個以上のコイルで構成するようにしてもよい。

また、受信アンテナ６では、対となる送信アンテナ５間の距離や負荷電流・負荷インピーダンス等によって共振条件が変化する。そこで、受信側回路４にて、このような伝送状況の変化に応じて、受信アンテナ６に対して成立させる共振条件を可変とする機能を追加してもよい。また同様に、送信側回路２にて送信アンテナ５の共振条件を可変とする機能を追加するようにしてもよい。さらに、両回路２，４に各アンテナ５，６の共振条件を可変とする機能を追加するようにしてもよい。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１一次送信電源、２，２ａ〜２ｃ送信電源回路、３送受信部、４，４ａ〜４ｃ受信電源回路、５，５ａ〜５ｃ送信アンテナ、６，６ａ〜６ｃ受信アンテナ、７中継アンテナ、８電磁シールド材。

Claims

単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、
前記一次送信電源からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナ、及び、対となる前記送信アンテナからの電力を受信する複数系統の受信アンテナからなる送受信部と、
対となる前記送信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路と、
対となる前記受信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路とを備え、
前記送受信部は、前記系統ごとの送信アンテナと受信アンテナ間が等長化され、隣接する前記系統間における結合係数が所定値以下となるよう当該系統間のアンテナ位置が離された
ことを特徴とする無線電力伝送による多重化伝送システム。
前記系統間のアンテナ位置は、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの放射面の面積をＳとしたとき、次式で表される距離ｒ以上離された位置である
ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
ｒ＝√（Ｓ／π）
前記送受信部は、前記系統ごとの送信アンテナ及び受信アンテナが直列共振回路又は並列共振回路で構成され、隣接する前記系統間で異なる回路となるよう配置された
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
前記送受信部の隣接する系統間のうち一方に設けられ、対となる前記送信アンテナと前記受信アンテナ間に配置された中継アンテナを備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
前記送受信部の各送信アンテナ間及び各受信アンテナ間に各々配置された電磁シールド材を備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、
前記一次送信電源からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナ、及び、対となる前記送信アンテナからの電力を受信する複数系統の受信アンテナからなる送受信部と、
対となる前記送信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路と、
対となる前記受信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路とを備え、
前記送受信部は、前記系統ごとの送信アンテナ及び受信アンテナが直列共振回路又は並列共振回路で構成され、隣接する前記系統間で異なる回路となるよう配置された
ことを特徴とする無線電力伝送による多重化伝送システム。
前記送受信部の隣接する系統間のうち一方に設けられ、対となる前記送信アンテナと前記受信アンテナ間に配置された中継アンテナを備えた
ことを特徴とする請求項６記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
前記送受信部の各送信アンテナ間及び各受信アンテナ間に各々配置された電磁シールド材を備えた
ことを特徴とする請求項６または請求項７記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、
前記一次送信電源からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナ、及び、対となる前記送信アンテナからの電力を受信する複数系統の受信アンテナからなる送受信部と、
対となる前記送信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路と、
対となる前記受信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路と、
前記送受信部の隣接する系統間のうち一方に設けられ、対となる前記送信アンテナと前記受信アンテナ間に配置された中継アンテナと
を備えたことを特徴とする無線電力伝送による多重化伝送システム。
前記送受信部の各送信アンテナ間及び各受信アンテナ間に各々配置された電磁シールド材を備えた
ことを特徴とする請求項９記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
単一周波数の電力を供給する一次送信電源と、
前記一次送信電源からの電力を無線伝送する複数系統の送信アンテナ、及び、対となる前記送信アンテナからの電力を受信する複数系統の受信アンテナからなる送受信部と、
対となる前記送信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の送信電源回路と、
対となる前記受信アンテナの共振条件を成立させる複数系統の受信電源回路と、
前記送受信部の各送信アンテナ間及び各受信アンテナ間に各々配置された電磁シールド材と
を備えたことを特徴とする無線電力伝送による多重化伝送システム。
前記送受信部は、磁界共鳴により無線伝送を行う
ことを特徴とする請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
前記送受信部は、電界共鳴により無線伝送を行う
ことを特徴とする請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
前記送受信部は、電磁誘導により無線伝送を行う
ことを特徴とする請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、各々２個以上のコイルから構成された
ことを特徴とする請求項１から請求項１４のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
前記受信電源回路は、前記受信アンテナの伝送状況に応じて前記受信アンテナの共振条件を可変する
ことを特徴とする請求項１から請求項１５のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。
前記送信電源回路は、前記送信アンテナの伝送状況に応じて前記送信アンテナの共振条件を可変する
ことを特徴とする請求項１から請求項１６のうちのいずれか１項記載の無線電力伝送による多重化伝送システム。