JP5730840B2 - Wireless power transmission system, power transmission device, and power reception device - Google Patents

Wireless power transmission system, power transmission device, and power reception device Download PDF

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Description

本発明は、無線電力伝送システム、送電装置、および、受電装置に関するものである。   The present invention relates to a wireless power transmission system, a power transmission device, and a power reception device.

特許文献1には、電磁誘導を用いて、非接触の二つの電気回路間で電力の伝送を行う無線電力伝送装置が開示されている。   Patent Document 1 discloses a wireless power transmission apparatus that transmits power between two non-contact electric circuits using electromagnetic induction.

特開平8−340285号公報JP-A-8-340285

ところで、特許文献1に開示された技術では、電力を伝送するためのコイルにおける電力の損失が大きいため、電力を効率良く伝送できないという問題点がある。   By the way, in the technique disclosed in Patent Document 1, there is a problem in that power cannot be efficiently transmitted because power loss in the coil for transmitting power is large.

そこで、本発明は、電力を効率良く伝送できる無線電力伝送システム、送電装置、および、受電装置を提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a wireless power transmission system, a power transmission device, and a power reception device that can efficiently transmit power.

上記課題を解決するために、本発明は、 送電装置から受電装置に対して無線で交流電力を伝送する無線電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ/2π以下の長さを有する第1および第2電極と、前記第1および第2電極間に接続された第1インダクタと、前記第1および第2電極と交流電力発生部の2つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第1および第2接続線と、前記第1および第2電極と前記交流電力発生部の2つの出力端子の少なくとも一方との間に挿入される第1キャパシタと、を有し、前記受電装置は、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ/2π以下の長さを有する第3および第4電極と、前記第3および第4電極間に接続された第2インダクタと、前記第3および第4電極と負荷の2つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第3および第4接続線と、前記第3および第4電極と前記負荷の2つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第2キャパシタと、を有し、前記第1および第2電極ならびに前記第1キャパシタと、前記第1インダクタとによって構成されるカプラが一の共振回路を形成し、前記第3および第4電極ならびに前記第2キャパシタと、前記第2インダクタとによって構成されるカプラが他の共振回路を形成し、前記第1および第2電極ならびに前記第1キャパシタと、前記第1インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と、前記第3および第4電極ならびに前記第2キャパシタと、前記第2インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数が略等しくなるように設定され、前記第1および第2電極と前記第3および第4電極は近傍界であるλ/2π以下の距離を隔てて配置される、ことを特徴とする。
このような構成によれば、電力を効率良く伝送できる無線電力伝送システムを提供することができる。
In order to solve the above problems, the present invention provides a wireless power transmission system that wirelessly transmits AC power from a power transmission device to a power reception device, wherein the power transmission device is disposed at a predetermined distance, A first and second electrodes having a total width including a distance of λ / 2π or less, which is a near field, a first inductor connected between the first and second electrodes, and the first and second First and second connection lines that electrically connect the electrode and the two output terminals of the AC power generation unit, respectively, and at least one of the first and second electrodes and the two output terminals of the AC power generation unit, The power receiving device is disposed at a predetermined distance, and a total width including the predetermined distance is not more than λ / 2π that is a near field. Third and fourth electrodes having the third A second inductor connected between the first electrode and the fourth electrode; a third and fourth connection line that electrically connects the third and fourth electrodes and the two input terminals of the load; 4 electrodes and a second capacitor inserted between at least one of the two input terminals of the load, and is constituted by the first and second electrodes, the first capacitor, and the first inductor. The coupler forms one resonance circuit, and the coupler constituted by the third and fourth electrodes, the second capacitor, and the second inductor forms another resonance circuit, and the first and second A resonance frequency of a coupler constituted by the electrode, the first capacitor, and the first inductor; the third and fourth electrodes; the second capacitor; and the second inductor. The first and second electrodes and the third and fourth electrodes are arranged at a distance of λ / 2π or less which is a near field. It is characterized by that.
According to such a configuration, it is possible to provide a wireless power transmission system that can transmit power efficiently.

また、本発明の一側面は、前記第1および第2キャパシタの少なくとも一方は、前記第1および第2電極の少なくとも一方に対向するように設けられた電極、または、前記第3および第4電極の少なくとも一方に対向するように設けられた電極を有していることを特徴とする。
このような構成によれば、既存の第1および第2電極または第3および第4電極を利用してキャパシタを構成することができるので、構成部品の点数を減らすことができる。
In one aspect of the present invention, at least one of the first and second capacitors is an electrode provided to face at least one of the first and second electrodes, or the third and fourth electrodes. It has the electrode provided so that it might oppose at least one of these, It is characterized by the above-mentioned.
According to such a configuration, since the capacitor can be configured using the existing first and second electrodes or the third and fourth electrodes, the number of components can be reduced.

また、本発明の一側面は、前記第1および第2電極は誘電体基板上に形成され、前記第1キャパシタは前記誘電体基板を挟んで前記第1および第2電極の少なくとも一方と対向するように配置された電極を有し、前記第3および第4電極は誘電体基板上に形成され、前記第2キャパシタは前記誘電体基板を挟んで前記第3および第4電極の少なくとも一方と対向するように配置された電極を有する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、誘電体基板を利用してキャパシタを構成することができるので、装置の厚さを薄くすることができる。
In one aspect of the present invention, the first and second electrodes are formed on a dielectric substrate, and the first capacitor faces at least one of the first and second electrodes with the dielectric substrate interposed therebetween. The third and fourth electrodes are formed on a dielectric substrate, and the second capacitor faces at least one of the third and fourth electrodes with the dielectric substrate interposed therebetween. It has the electrode arrange | positioned so that it may carry out.
According to such a configuration, since the capacitor can be configured using the dielectric substrate, the thickness of the device can be reduced.

また、本発明の一側面は、前記第1および第2キャパシタは、チップコンデンサによって構成されることを特徴とする。
このような構成によれば、素子値の安定したチップコンデンサを用いることで共振周波数を安定化することができる。
In one aspect of the present invention, the first and second capacitors are constituted by chip capacitors.
According to such a configuration, the resonance frequency can be stabilized by using a chip capacitor having a stable element value.

また、本発明は、送電装置から受電装置に対して無線で交流電力を伝送する無線電力伝送システムの前記送電装置において、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ/2π以下の長さを有する第1および第2電極と、前記第1および第2電極間に接続された第1インダクタと、前記第1および第2電極と交流電力発生部の2つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第1および第2接続線と、前記第1および第2電極と前記交流電力発生部の2つの出力端子の少なくとも一方の間に挿入される第1キャパシタと、前記第1および第2電極ならびに前記第1キャパシタと、前記第1インダクタとによって構成されるカプラが一の共振回路を形成し、前記受電装置が有する第3および第4電極ならびに第2キャパシタと、第2インダクタとによって構成されるカプラが他の共振回路を形成し、前記第1および第2電極ならびに前記第1キャパシタと、前記第1インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数は、前記受電装置が有する前記第3および第4電極ならびに前記第2キャパシタと前記第2インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と略等しくなるように設定され、前記第1および第2電極と前記第3および第4電極は近傍界であるλ/2π以下の距離を隔てて配置される、ことを特徴とする。
このような構成によれば、電力を効率良く伝送できる送電装置を提供できる。
In the power transmission device of the wireless power transmission system that wirelessly transmits AC power from the power transmission device to the power reception device, the present invention is arranged at a predetermined distance, and the total width including the predetermined distance is near First and second electrodes having a length of λ / 2π or less, which is a field, a first inductor connected between the first and second electrodes, the first and second electrodes, and an AC power generation unit First and second connection lines that electrically connect the two output terminals, respectively, and a first inserted between at least one of the first and second electrodes and the two output terminals of the AC power generation unit. A coupler constituted by a capacitor, the first and second electrodes, the first capacitor, and the first inductor forms a resonance circuit, and the third and fourth electrodes and the second of the power receiving device. Ki The coupler constituted by the capacitor and the second inductor forms another resonance circuit, and the resonance frequency of the coupler constituted by the first and second electrodes, the first capacitor, and the first inductor is: the power receiving device is set to be substantially equal to the resonant frequency of the coupler constituted by the said third and fourth electrodes and the second capacitor and the second inductor included in the said first and second electrode second The third and fourth electrodes are arranged with a distance of λ / 2π or less that is a near field.
According to such a configuration, it is possible to provide a power transmission device that can efficiently transmit power.

また、本発明は、送電装置から受電装置に対して無線で交流電力を伝送する無線電力伝送システムの前記受電装置において、所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ/2π以下の長さを有する第3および第4電極と、前記第3および第4電極間に接続された第2インダクタと、前記第3および第4電極と負荷の2つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第3および第4接続線と、前記第3および第4電極と前記負荷の2つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第2キャパシタと、を有し、前記送電装置が有する第1および第2電極ならびに第1キャパシタと、第1インダクタとによって構成されるカプラが一の共振回路を形成し、前記第3および第4電極ならびに前記第2キャパシタと、前記第2インダクタとによって構成されるカプラが他の共振回路を形成し、前記第3および第4電極ならびに前記第2キャパシタと、前記第2インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数は、前記第1および第2電極ならびに前記第1キャパシタと、前記第1インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と略等しくなるように設定され、前記第1および第2電極と前記第3および第4電極は近傍界であるλ/2π以下の距離を隔てて配置される、ことを特徴とする。
このような構成によれば、電力を効率良く伝送できる受電装置を提供できる。
In the power receiving device of the wireless power transmission system that wirelessly transmits AC power from the power transmitting device to the power receiving device, the present invention is arranged at a predetermined distance, and the total width including the predetermined distance is near The third and fourth electrodes having a length equal to or less than λ / 2π, which is a field, a second inductor connected between the third and fourth electrodes, and two inputs of the third and fourth electrodes and a load And a third capacitor inserted electrically between at least one of the third and fourth electrodes and the two input terminals of the load. A coupler constituted by the first and second electrodes and the first capacitor and the first inductor included in the power transmission device forms one resonance circuit, and the third and fourth electrodes and the second capacitor; Above Coupler constituted by a second inductor to form another resonant circuit, the third and fourth electrodes and the second capacitor, the resonant frequency of the coupler constituted by the second inductor, the first And the second electrode, the first capacitor, and the first inductor are set to be substantially equal to the resonance frequency of the coupler, and the first and second electrodes and the third and fourth electrodes are in the vicinity. It is characterized by being arranged at a distance of λ / 2π or less which is a field.
According to such a configuration, it is possible to provide a power receiving device that can efficiently transmit power.

本発明によれば、電力を効率良く伝送できる無線電力伝送システム、送電装置、および、受電装置を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a wireless power transmission system, a power transmission device, and a power reception device that can efficiently transmit power.

直列共振を利用する無線電力伝送システムの動作原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation principle of the wireless power transmission system using a series resonance. 図1に示す構成の等価回路である。It is an equivalent circuit of the structure shown in FIG. 図2に示す等価回路の伝送特性を示す図である。It is a figure which shows the transmission characteristic of the equivalent circuit shown in FIG. 直列共振を利用する無線電力伝送システムを構成する送電装置の詳細な構成例を示す図である。It is a figure which shows the detailed structural example of the power transmission apparatus which comprises the wireless power transmission system using a series resonance. 直列共振を利用する無線電力伝送システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the wireless power transmission system using a series resonance. 図5に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating frequency characteristics of transmission efficiency and reflection loss of the wireless power transmission system illustrated in FIG. 5. 図5に示す無線電力伝送システムの入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the input impedance of the wireless power transmission system shown in FIG. 並列共振を利用する無線電力伝送システムを構成する送電カプラの詳細な構成例を示す図である。It is a figure which shows the detailed structural example of the power transmission coupler which comprises the wireless power transmission system using a parallel resonance. 図8に示す構成の等価回路である。FIG. 9 is an equivalent circuit having the configuration shown in FIG. 8. FIG. 図8に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating frequency characteristics of transmission efficiency and reflection loss of the wireless power transmission system illustrated in FIG. 8. 図8に示す無線電力伝送システムの入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the input impedance of the wireless power transmission system shown in FIG. 並列共振を利用する無線電力伝送システムを構成する送電カプラの詳細な構成例を示す図である。It is a figure which shows the detailed structural example of the power transmission coupler which comprises the wireless power transmission system using a parallel resonance. 図12に示す無線電力伝送システムの伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the transmission efficiency and reflection loss of the wireless power transmission system shown in FIG. 図12に示す無線電力伝送システムの入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the input impedance of the wireless power transmission system shown in FIG. 本発明の第1実施形態に係る送電カプラの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the power transmission coupler which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る無線電力電送システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the wireless power transmission system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図16に示す第1実施形態の等価回路である。It is an equivalent circuit of 1st Embodiment shown in FIG. 図16に示す第1実施形態の伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the transmission efficiency and reflection loss of 1st Embodiment shown in FIG. 図16に示す第1実施形態の入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the input impedance of 1st Embodiment shown in FIG. 本発明の第2実施形態に係る無線電力電送システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the wireless power transmission system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図20に示す第2実施形態の伝送効率および反射損の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the transmission efficiency and reflection loss of 2nd Embodiment shown in FIG. 図20に示す第2実施形態の入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the input impedance of 2nd Embodiment shown in FIG.

次に、本発明の実施形態について説明する。   Next, an embodiment of the present invention will be described.

(A)実施形態の動作原理の説明
本実施形態は、キャパシタを付加することによって並列共振点よりも低い共振点を発生させて電力を伝送することを特徴としているが、以下では、基本形である直列共振を利用して電力を伝送する構成について説明した後に、本実施形態について説明する。
(A) Description of Operation Principle of Embodiment The present embodiment is characterized in that power is transmitted by generating a resonance point lower than the parallel resonance point by adding a capacitor. After describing the configuration for transmitting power using series resonance, this embodiment will be described.

図1は、直列共振を利用した無線電力伝送システム1の動作原理を説明するための図である。この図に示すように、無線電力伝送システム1は、送電装置10、および、受電装置20を有している。   FIG. 1 is a diagram for explaining an operation principle of a wireless power transmission system 1 using series resonance. As shown in this figure, the wireless power transmission system 1 includes a power transmission device 10 and a power reception device 20.

ここで、送電装置10は、電極11,12、インダクタ13,14、接続線15,16、および、交流電力発生部17を有している。また、受電装置20は、電極21,22、インダクタ23,24、接続線25,26、および、負荷27を有している。電極11,12およびインダクタ13,14は送電用カプラを構成する。電極21,22およびインダクタ23,24は受電用カプラを構成する。   Here, the power transmission device 10 includes electrodes 11 and 12, inductors 13 and 14, connection lines 15 and 16, and an AC power generation unit 17. The power receiving device 20 includes electrodes 21 and 22, inductors 23 and 24, connection lines 25 and 26, and a load 27. The electrodes 11 and 12 and the inductors 13 and 14 constitute a power transmission coupler. The electrodes 21 and 22 and the inductors 23 and 24 constitute a power receiving coupler.

ここで、電極11,12は、導電性を有する部材によって構成され、所定の距離d1を隔てて配置されている。図1の例では、電極11,12,21,22として、略同一のサイズを有する矩形形状を有する平板状の電極が例示されている。また、電極11と電極21は距離d2を隔てて対向するように平行に配置され、電極12と電極22も同じ距離d2を隔てて対向するように平行に配置されている。なお、電極11,12,21,22としては、図1に示す以外の形状の電極であってもよい。例えば、円形または楕円形状の平板電極であったり、球形等の立体形状であったり、平板ではなく湾曲した形状または屈曲した形状の電極であったりしてもよい。   Here, the electrodes 11 and 12 are comprised by the member which has electroconductivity, and are arrange | positioned at predetermined distance d1. In the example of FIG. 1, as the electrodes 11, 12, 21, and 22, flat plate electrodes having a rectangular shape having substantially the same size are illustrated. The electrode 11 and the electrode 21 are arranged in parallel so as to face each other with a distance d2, and the electrode 12 and the electrode 22 are also arranged in parallel so as to face each other with the same distance d2. The electrodes 11, 12, 21, and 22 may be electrodes having shapes other than those shown in FIG. For example, it may be a circular or elliptical plate electrode, a three-dimensional shape such as a sphere, or a curved or bent electrode instead of a flat plate.

電極11および電極12の距離d1を含む合計幅Dは、これらの電極から放射される電界の波長をλとした場合に、λ/2πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。同様に、電極21および電極22の距離d1を含む合計幅Dは、λ/2πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。また、電極11と電極21および電極12と電極22の間の距離d2についても、λ/2πで示される近傍界よりも短くなるように設定されている。   The total width D including the distance d1 between the electrode 11 and the electrode 12 is set to be narrower than the near field indicated by λ / 2π where λ is the wavelength of the electric field radiated from these electrodes. . Similarly, the total width D including the distance d1 between the electrode 21 and the electrode 22 is set to be narrower than the near field indicated by λ / 2π. Also, the distance d2 between the electrode 11 and the electrode 21 and between the electrode 12 and the electrode 22 is set to be shorter than the near field indicated by λ / 2π.

インダクタ13,14は、例えば、導電性の線材(例えば、銅線)を巻回して構成され、図1の例では、電極11,12の端部にそれぞれの一端が電気的に接続されている。接続線15はインダクタ13の他端と交流電力発生部17の出力端子の一端とを接続する導電性の線材(例えば、銅線)によって構成される。接続線16はインダクタ14の他端と交流電力発生部17の出力端子の他端とを接続する導電性の線材によって構成される。なお、接続線15,16は、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成される。   For example, the inductors 13 and 14 are configured by winding a conductive wire (for example, copper wire), and one end of each of the inductors 13 and 12 is electrically connected to the ends of the electrodes 11 and 12 in the example of FIG. . The connection line 15 is composed of a conductive wire (for example, copper wire) that connects the other end of the inductor 13 and one end of the output terminal of the AC power generation unit 17. The connection line 16 is formed of a conductive wire material that connects the other end of the inductor 14 and the other end of the output terminal of the AC power generation unit 17. The connection lines 15 and 16 are constituted by coaxial cables or balanced cables.

交流電力発生部17は、所定の周波数の交流電力を発生し、接続線15,16を介してインダクタ13,14に供給する。   The AC power generation unit 17 generates AC power having a predetermined frequency and supplies the AC power to the inductors 13 and 14 via the connection lines 15 and 16.

電極21,22は、電極11,12と同様に、導電性を有する部材によって構成され、所定d1の距離を隔てて配置されている。   Similarly to the electrodes 11 and 12, the electrodes 21 and 22 are made of a conductive member, and are arranged at a predetermined distance d1.

インダクタ23,24は、例えば、導電性の線材を巻回して構成され、図1の例では、電極21,22の端部にそれぞれの一端が電気的に接続されている。接続線25はインダクタ23の他端と負荷27の入力端子の一端とを接続する導電性の線材(例えば、銅線)によって構成される。接続線26はインダクタ24の他端と負荷27の入力端子の他端とを接続する導電性の線材によって構成される。なお、接続線25,26は、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成される。   For example, the inductors 23 and 24 are formed by winding a conductive wire. In the example of FIG. 1, one end of each of the inductors 23 and 22 is electrically connected to the end of the electrodes 21 and 22. The connection line 25 is composed of a conductive wire (for example, copper wire) that connects the other end of the inductor 23 and one end of the input terminal of the load 27. The connection line 26 is formed of a conductive wire that connects the other end of the inductor 24 and the other end of the input terminal of the load 27. The connection lines 25 and 26 are constituted by coaxial cables or balanced cables.

負荷27は、交流電力発生部17から出力され、送電用カプラおよび受電用カプラを介して伝送された電力が供給される。なお、負荷27は、例えば、整流装置および二次電池等によって構成されている。もちろん、これ以外であってもよい。   The load 27 is supplied with power output from the AC power generation unit 17 and transmitted via the power transmission coupler and the power reception coupler. The load 27 is constituted by, for example, a rectifier and a secondary battery. Of course, it may be other than this.

図2は、図1に示す無線電力伝送システム1の等価回路を示す図である。この図2において、電源部負荷222は、接続線15,16および接続線25,26の特性インピーダンスと等しい値を示し、Z0の値を有している。抵抗2は、送電側回路、主にインダクタに付随する抵抗を示し、R1の素子値を有している。インダクタ3はインダクタ13,14に対応し、L1の素子値を有している。キャパシタ4は、電極11,12の間に生じる素子値C1のキャパシタである。キャパシタ6は、電極21,22の間に生じる素子値C2のキャパシタである。キャパシタ5は、電極11,12と電極21,22の間に生じるキャパシタを示し、Cmの素子値を有している。インダクタ7はインダクタ23,24に対応し、L2の素子値を有している。抵抗8は、受電側回路、主にインダクタに付随する抵抗を示し、R2の素子値を有している。   FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of the wireless power transmission system 1 shown in FIG. In FIG. 2, the power source load 222 has a value equal to the characteristic impedance of the connection lines 15 and 16 and the connection lines 25 and 26, and has a value of Z0. The resistor 2 indicates a resistor associated with the power transmission side circuit, mainly the inductor, and has an element value of R1. The inductor 3 corresponds to the inductors 13 and 14 and has an element value of L1. The capacitor 4 is a capacitor having an element value C 1 generated between the electrodes 11 and 12. The capacitor 6 is a capacitor having an element value C 2 generated between the electrodes 21 and 22. The capacitor 5 is a capacitor generated between the electrodes 11 and 12 and the electrodes 21 and 22, and has an element value of Cm. The inductor 7 corresponds to the inductors 23 and 24 and has an element value of L2. The resistor 8 indicates a resistor associated with the power receiving side circuit, mainly the inductor, and has an element value of R2.

図3は、送電装置10と受電装置20の間のSパラメータの周波数特性を示している。具体的には、図3の横軸は周波数を示し、縦軸は送電装置10から受電装置20への挿入損失(S21)を示している。この図3に示すように、送電装置10から受電装置20への挿入損失は、周波数fで反共振点を有し、周波数fおよびfで共振点を有している。ここで、周波数fは、図2に示すインダクタ3,7のインダクタンス値L1,L2と、電極11,12または電極21,22によって形成されるキャパシタのキャパシタンス値C1,C2によって定まる。また、周波数fおよびfは、図2に示すインダクタ3,7のインダクタンス値L1,L2と、電極11,12および電極21,22によって形成されるキャパシタのキャパシタンス値Cmならびに電極11,12の間および電極21,22の間にそれぞれ生じるキャパシタのキャパシタンス値C1,C2によって定まる。 FIG. 3 shows the frequency characteristics of the S parameter between the power transmission device 10 and the power reception device 20. Specifically, the horizontal axis of FIG. 3 indicates the frequency, and the vertical axis indicates the insertion loss (S21) from the power transmission device 10 to the power reception device 20. As shown in FIG. 3, the insertion loss from the power transmitting apparatus 10 to the power receiving apparatus 20 has an anti-resonance point at the frequency f C and has resonance points at the frequencies f L and f H. Here, the frequency f C is determined by the inductance values L 1 and L 2 of the inductors 3 and 7 shown in FIG. 2 and the capacitance values C 1 and C 2 of the capacitors formed by the electrodes 11 and 12 or the electrodes 21 and 22. Further, the frequencies f L and f H correspond to the inductance values L 1 and L 2 of the inductors 3 and 7 shown in FIG. 2, the capacitance value Cm of the capacitor formed by the electrodes 11 and 12 and the electrodes 21 and 22, and the And capacitance values C1 and C2 of the capacitors generated between the electrodes 21 and 22, respectively.

交流電力発生部17が発生する交流電力の周波数は、図3に示すfまたはfと等しくなるように設定される。このように、交流電力発生部17の周波数を設定することにより、送電装置10から受電装置20への挿入損失が略0dBとなることから、送電装置10から受電装置20に対して損失なく電力を送信することができる。 The frequency of the AC power generated by the AC power generator 17 is set to be equal to f L or f H shown in FIG. Thus, by setting the frequency of the AC power generation unit 17, the insertion loss from the power transmission device 10 to the power reception device 20 becomes approximately 0 dB. Therefore, power is transmitted from the power transmission device 10 to the power reception device 20 without loss. Can be sent.

図1に示す無線電力電送システムでは、送電装置10の電極11,12と受電装置20の電極21,22は、電界共振結合されており、送電装置10の電極11,12から受電装置20の電極21,22に対して電界によって交流電力が伝送される。   In the wireless power transmission system shown in FIG. 1, the electrodes 11 and 12 of the power transmission device 10 and the electrodes 21 and 22 of the power reception device 20 are coupled by electric field resonance, and the electrodes 11 and 12 of the power transmission device 10 are connected to the electrodes of the power reception device 20. AC power is transmitted to 21 and 22 by an electric field.

つまり、図1に示す無線電力電送システムでは、送電装置10の電極11,12と受電装置20の電極21,22は、近傍界であるλ/2πよりも短い距離d2だけ隔てて配置されているので、電極11,12から放射される電界成分が支配的である領域に電極21,22が配置される。また、電極11,12の間に形成されるキャパシタおよびインダクタ13,14による共振周波数と、電極21,22の間に形成されるキャパシタおよびインダクタ23,24による共振周波数とは略等しくなるように設定されている。このように、送電装置10の電極11,12と受電装置20の電極21,22は、電界共振結合されていることから、送電装置10の電極11,12から受電装置20の電極21,22に対して電界によって交流電力が効率よく伝送される。   That is, in the wireless power transmission system shown in FIG. 1, the electrodes 11 and 12 of the power transmission device 10 and the electrodes 21 and 22 of the power reception device 20 are arranged with a distance d2 shorter than λ / 2π that is the near field. Therefore, the electrodes 21 and 22 are arranged in a region where the electric field component radiated from the electrodes 11 and 12 is dominant. Further, the resonance frequency by the capacitor and inductors 13 and 14 formed between the electrodes 11 and 12 and the resonance frequency by the capacitor and inductors 23 and 24 formed between the electrodes 21 and 22 are set to be substantially equal. Has been. Thus, since the electrodes 11 and 12 of the power transmission device 10 and the electrodes 21 and 22 of the power reception device 20 are coupled by electric field resonance, the electrodes 11 and 12 of the power transmission device 10 are changed to the electrodes 21 and 22 of the power reception device 20. On the other hand, AC power is efficiently transmitted by the electric field.

図4は直列共振を利用した無線電力伝送システムを構成する送電用カプラの詳細な構成例を示している。この図に示すように、直列共振を利用した無線電力伝送システムでは、送電用カプラ110は、矩形の板状形状を有する絶縁部材(誘電体基板)によって構成される回路基板118の表(おもて)面118A上に、矩形形状を有する導電性部材によって構成される電極111,112が配置されて構成される。回路基板118の裏面118Bには、この図4の例では、電極等は配置されていない。具体的な構成例としては、例えば、ガラスエポキシ基板やガラスコンポジット基板等によって構成される回路基板118上に、銅等の導電性の薄膜によって電極111,112が形成される。電極111,112は、所定の距離d1だけ離れた位置に平行に配置されている。また、距離d1を含む電極111,112の幅Dは、これらの電極から放射される電界の波長をλとした場合に、λ/2πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。   FIG. 4 shows a detailed configuration example of a power transmission coupler constituting a wireless power transmission system using series resonance. As shown in this figure, in a wireless power transmission system using series resonance, a power transmission coupler 110 is a table (mainly) of a circuit board 118 formed of an insulating member (dielectric substrate) having a rectangular plate shape. The electrodes 111 and 112 made of a conductive member having a rectangular shape are arranged on the surface 118A. In the example of FIG. 4, no electrode or the like is disposed on the back surface 118 </ b> B of the circuit board 118. As a specific configuration example, for example, electrodes 111 and 112 are formed of a conductive thin film such as copper on a circuit board 118 formed of a glass epoxy board, a glass composite board, or the like. The electrodes 111 and 112 are arranged in parallel at positions separated by a predetermined distance d1. The width D of the electrodes 111 and 112 including the distance d1 is set to be narrower than the near field indicated by λ / 2π when the wavelength of the electric field radiated from these electrodes is λ. .

回路基板118の電極111,112の短手方向の端部には、インダクタ113,114の一端がそれぞれ接続されている。また、インダクタ113,114の他端は、接続線115,116の一端にそれぞれ接続されている。接続線115,116は、電極111,112の領域およびこれらに挟まれる領域を回避するように配置されるとともに、これらの領域から遠ざかる方向(図4の左下方向)に伸延するように配置されている。より詳細には、電極111,112のそれぞれの矩形領域と、これら2つの電極111,112によって挟まれた領域を回避して配置されるとともに、これらの領域から遠ざかる方向に伸延するように配置されている。このように配置することで、電極111,112と接続線115,116の間の干渉を少なくすることができるので、伝送効率の低下を防止できる。接続線115,116は、例えば、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成されている。なお、接続線115,116の他端は、図示しない交流電力発生部の出力端子にそれぞれ接続されている。接続線115,116によって送電用カプラ110に交流電力発生部が接続されることにより、送電装置が構成される。   One ends of inductors 113 and 114 are connected to the ends of the electrodes 111 and 112 of the circuit board 118 in the short direction. The other ends of the inductors 113 and 114 are connected to one ends of connection lines 115 and 116, respectively. The connection lines 115 and 116 are disposed so as to avoid the regions of the electrodes 111 and 112 and the region sandwiched between them, and are disposed so as to extend in a direction away from these regions (lower left direction in FIG. 4). Yes. More specifically, the rectangular regions of the electrodes 111 and 112 and the region sandwiched between the two electrodes 111 and 112 are arranged so as to avoid the region, and the electrodes 111 and 112 are arranged so as to extend away from these regions. ing. By arranging in this way, interference between the electrodes 111 and 112 and the connection lines 115 and 116 can be reduced, so that a reduction in transmission efficiency can be prevented. The connection lines 115 and 116 are configured by, for example, a coaxial cable or a balanced cable. Note that the other ends of the connection lines 115 and 116 are respectively connected to output terminals of an AC power generation unit (not shown). By connecting the AC power generation unit to the power transmission coupler 110 by the connection lines 115 and 116, a power transmission device is configured.

送電用カプラ110は、電極111,112が所定の距離d1を隔てて配置されることによって形成されるキャパシタのキャパシタンスCと、インダクタ113,114のインダクタンスLによる直列共振回路を構成するので、これらによる固有の共振周波数fを有している。 The power transmission coupler 110 constitutes a series resonance circuit composed of the capacitance C of the capacitor formed by arranging the electrodes 111 and 112 at a predetermined distance d1 and the inductance L of the inductors 113 and 114. It has a unique resonance frequency f C.

受電用カプラ120は、送電用カプラ110と同様の構成とされ、回路基板128の表面128A上に、矩形形状を有する導電性部材によって構成される電極121,122およびインダクタ123,124が配置され、インダクタ123,124の他端に接続線125,126が接続されて構成される。電極121,122によって形成されるキャパシタのキャパシタンスCと、インダクタ123,124のインダクタンスLによる直列共振回路の共振周波数fは送電用カプラ110と略同じに設定される。接続線125,126は、例えば、同軸ケーブルまたは平衡ケーブルによって構成されている。受電用カプラ120の接続線125,126の他端には、図示しない負荷が接続される。接続線125,126によって受電用カプラ120に負荷が接続されることにより、受電装置が構成される。なお、送電用カプラ110および受電用カプラ120のインダクタ113,114,123,124は、それぞれ、巻き数が13回とされ、インダクタンス値がfにおいて2.8μHとされている。 The power receiving coupler 120 has the same configuration as that of the power transmitting coupler 110. On the surface 128A of the circuit board 128, electrodes 121 and 122 and inductors 123 and 124 made of a conductive member having a rectangular shape are arranged. Connection lines 125 and 126 are connected to the other ends of the inductors 123 and 124. The capacitance C of the capacitor formed by the electrodes 121 and 122 and the resonance frequency f C of the series resonance circuit due to the inductance L of the inductors 123 and 124 are set to be substantially the same as those of the power transmission coupler 110. The connection lines 125 and 126 are configured by, for example, a coaxial cable or a balanced cable. A load (not shown) is connected to the other ends of the connection lines 125 and 126 of the power receiving coupler 120. A power receiving device is configured by connecting a load to the power receiving coupler 120 through the connection lines 125 and 126. The inductors 113, 114, 123, and 124 of the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 each have 13 turns and an inductance value of 2.8 μH at f C.

図5は、送電用カプラ110と受電用カプラ120を対向配置した状態を示す図である。この図に示すように、送電用カプラ110と受電用カプラ120は、回路基板118,128の表面118A,128Aが対向するように距離d2を隔て、回路基板118,128が平行になるように配置される。   FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 are arranged to face each other. As shown in this figure, the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 are arranged so that the circuit boards 118 and 128 are parallel to each other with a distance d2 so that the surfaces 118A and 128A of the circuit boards 118 and 128 face each other. Is done.

つぎに、図5に示す直列共振を利用した無線電力伝送システムの動作について説明する。図6は、図5に示す無線電力伝送システムの送電用カプラ110と受電用カプラ120を20cm隔てて対向配置した場合(d2=20cmの場合)における送電用カプラ110から受電用カプラ120への伝送効率η21(=|S21|^2)と、反射損η11(=|S11|^2)の周波数特性を示す図である。この図において横軸は伝送する交流電力の周波数(MHz)を示し、縦軸は伝送効率を示している。図6に示す例では、27MHz周辺において、伝送効率90%以上を達成していることが分かる。なお、図5では、例えば、インダクタ113,114,123,124は、それぞれ、巻き数が13回、インダクタンス値が2.8μHとされ、回路基板118,128のサイズ(DとL)は250×250mmとされ、電極111,112および電極121,122間のギャップd1は34.4mmとされている。   Next, the operation of the wireless power transmission system using the series resonance shown in FIG. 5 will be described. FIG. 6 illustrates transmission from the power transmission coupler 110 to the power reception coupler 120 when the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 of the wireless power transmission system illustrated in FIG. 5 are arranged to face each other with a distance of 20 cm (d2 = 20 cm). It is a figure which shows the frequency characteristic of efficiency (eta) 21 (= | S21 | ^ 2) and reflection loss (eta) 11 (= | S11 | ^ 2). In this figure, the horizontal axis indicates the frequency (MHz) of AC power to be transmitted, and the vertical axis indicates transmission efficiency. In the example shown in FIG. 6, it can be seen that a transmission efficiency of 90% or more is achieved around 27 MHz. In FIG. 5, for example, the inductors 113, 114, 123, and 124 each have 13 turns and an inductance value of 2.8 μH, and the circuit boards 118 and 128 have a size (D and L) of 250 ×. The gap d1 between the electrodes 111 and 112 and the electrodes 121 and 122 is 34.4 mm.

図7は、図5に示す直列共振を利用した無線電力伝送システムの入力インピーダンス特性を示す図である。この図7に示すように、入力インピーダンスの実部Reは共振周波数である27MHz付近において約50Ωとなり、虚部Imは約0Ωとなる。   FIG. 7 is a diagram showing the input impedance characteristics of the wireless power transmission system using the series resonance shown in FIG. As shown in FIG. 7, the real part Re of the input impedance is about 50Ω near the resonance frequency of 27 MHz, and the imaginary part Im is about 0Ω.

つぎに、図8を参照して、並列共振を行う場合について説明する。図8では、送電用カプラ110Aを構成する回路基板118の電極111,112の短手方向の一方の端部には、インダクタ113,114の一端がそれぞれ接続されている。また、インダクタ113,114の他端は相互に接続されている。また、接続線115,116の一端は電極111,112の短手方向の他方の端部に直接接続されている。受電用カプラ120Aも送電用カプラ110Aと同様の構成とされ、これらの送電用カプラ110Aと受電用カプラ120Aが図5と同様に一定の距離を隔てて対向配置される。なお、図8では、インダクタ113,114は、それぞれ、巻き数が13で、インダクタンス値が2.8μHとされている。このときの各インダクタに付随する抵抗値は0.5Ωである。   Next, a case where parallel resonance is performed will be described with reference to FIG. In FIG. 8, one end of inductors 113 and 114 is connected to one end of the electrodes 111 and 112 of the circuit board 118 constituting the power transmission coupler 110A in the short direction. The other ends of the inductors 113 and 114 are connected to each other. One end of each of the connection lines 115 and 116 is directly connected to the other end portion of the electrodes 111 and 112 in the short direction. The power receiving coupler 120A has the same configuration as that of the power transmitting coupler 110A, and these power transmitting coupler 110A and power receiving coupler 120A are arranged to face each other with a certain distance as in FIG. In FIG. 8, the inductors 113 and 114 each have 13 turns and an inductance value of 2.8 μH. The resistance value associated with each inductor at this time is 0.5Ω.

図9は、図8に示す送電用カプラ110Aと、これと同様の構成を有する図示しない受電用カプラ120Aによって構成される無線電力伝送システムの等価回路を示す図である。なお、図9において、図2と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図9に示す等価回路は、図2と比較して、抵抗2とインダクタ3および抵抗8とインダクタ7が直列接続され、キャパシタ4およびキャパシタ6とそれぞれ並列接続されている。これ以外の構成は、図2と同様である。   FIG. 9 is a diagram showing an equivalent circuit of a wireless power transmission system including the power transmission coupler 110A shown in FIG. 8 and a power reception coupler 120A (not shown) having the same configuration. 9, parts corresponding to those in FIG. 2 are given the same reference numerals and explanation thereof is omitted. In the equivalent circuit shown in FIG. 9, the resistor 2 and the inductor 3, the resistor 8 and the inductor 7 are connected in series, and the capacitor 4 and the capacitor 6 are connected in parallel, respectively, as compared with FIG. 2. The other configuration is the same as that of FIG.

図10は、図8に示す送電用カプラ110Aと受電用カプラ120Aを20cm隔てて対向配置した場合における送電用カプラ110Aから受電用カプラ120Aへの伝送効率η21(=|S21|^2)と、反射損η11(=|S11|^2)の周波数特性を示す図である。なお、図10では、例えば、インダクタ113,114,123,124は、それぞれ、巻き数が13回、インダクタンス値が2.8μHとされ、回路基板118,128のサイズ(DとL)は250×250mmとされ、電極111,112および電極121,122間のギャップd1は34.4mmとされている。この図に示すように、伝送効率η21は周波数によらず0%であり、また、反射損η11は周波数によらず“1”である。   FIG. 10 shows the transmission efficiency η21 (= | S21 | ^ 2) from the power transmission coupler 110A to the power reception coupler 120A when the power transmission coupler 110A and the power reception coupler 120A shown in FIG. It is a figure which shows the frequency characteristic of reflection loss (eta) 11 (= | S11 | ^ 2). In FIG. 10, for example, each of the inductors 113, 114, 123, and 124 has 13 turns and an inductance value of 2.8 μH, and the circuit boards 118 and 128 have a size (D and L) of 250 ×. The gap d1 between the electrodes 111 and 112 and the electrodes 121 and 122 is 34.4 mm. As shown in this figure, the transmission efficiency η21 is 0% regardless of the frequency, and the reflection loss η11 is “1” regardless of the frequency.

図11は、図8に示す送電用カプラ110Aと図示しない受電用カプラ120Aを20cm隔てて対向配置した場合における入力インピーダンス特性を示す図である。この図11に示すように、入力インピーダンスの実部Reは共振周波数である27MHz付近において約20kΩ以上となり、虚部Imは27MHz付近を境にしてプラス無限大からマイナス無限大に変化している。つまり、共振周波数において、反共振している。以上から、送電用カプラ110Aを用いた無線電力伝送システムでは、電力を伝送することはできない。   FIG. 11 is a diagram showing the input impedance characteristics when the power transmitting coupler 110A shown in FIG. 8 and a power receiving coupler 120A (not shown) are arranged to face each other with a distance of 20 cm. As shown in FIG. 11, the real part Re of the input impedance is about 20 kΩ or more near the resonance frequency of 27 MHz, and the imaginary part Im changes from plus infinity to minus infinity around 27 MHz. That is, it is anti-resonant at the resonance frequency. From the above, the wireless power transmission system using the power transmission coupler 110A cannot transmit power.

図12は、図8に示す送電用カプラ110Aのインダクタ113,114をインダクタンス値が低いインダクタ113A,114Aに置換した構成を示している。図12では、インダクタ113A,114Aは、それぞれ、巻き数が8で、インダクタンス値が1.72μHとされている。   FIG. 12 shows a configuration in which the inductors 113 and 114 of the power transmission coupler 110A shown in FIG. 8 are replaced with inductors 113A and 114A having low inductance values. In FIG. 12, each of the inductors 113A and 114A has 8 turns and an inductance value of 1.72 μH.

図13は、図12に示す送電用カプラ110Bと、これと同様の構成を有する受電用カプラ120Bを20cm隔てて対向配置した場合における送電用カプラ110Bから受電用カプラ120Bへの伝送効率η21(=|S21|^2)と、反射損η11(=|S11|^2)の周波数特性を示す図である。この図に示すように、伝送効率η21は周波数によらず0%であり、また、反射損η11は周波数によらず“1”である。   FIG. 13 shows a transmission efficiency η21 (= 21) from the power transmission coupler 110B to the power reception coupler 120B when the power transmission coupler 110B shown in FIG. 12 and the power reception coupler 120B having the same configuration are arranged 20 cm apart from each other. It is a figure which shows the frequency characteristic of | S21 | ^ 2) and reflection loss η11 (= | S11 | ^ 2). As shown in this figure, the transmission efficiency η21 is 0% regardless of the frequency, and the reflection loss η11 is “1” regardless of the frequency.

図14は、図12に示す送電用カプラ110Bと、これと同様の構成を有する受電用カプラ120Bを用いた無線電力伝送システムの入力インピーダンス特性を示す図である。図11に比較すると、図14では反共振周波数は約27MHzから約38MHzに増加している。また、入力インピーダンスの実部Reは共振周波数である約38MHz付近において約20kΩ以上となり、虚部Imは約38MHz付近を境にしてプラス無限大からマイナス無限大に変化している。図14でも、共振周波数において、反共振している。以上から、送電用カプラ110Bを用いた無線電力伝送システムでは、電力を伝送することはできない。   FIG. 14 is a diagram illustrating input impedance characteristics of a wireless power transmission system using the power transmission coupler 110B illustrated in FIG. 12 and the power reception coupler 120B having the same configuration as that of FIG. Compared to FIG. 11, in FIG. 14, the antiresonance frequency is increased from about 27 MHz to about 38 MHz. Further, the real part Re of the input impedance is about 20 kΩ or more near the resonance frequency of about 38 MHz, and the imaginary part Im changes from plus infinity to minus infinity at around 38 MHz. In FIG. 14 as well, anti-resonance occurs at the resonance frequency. From the above, the wireless power transmission system using the power transmission coupler 110B cannot transmit power.

(B)第1実施形態の説明
つぎに、本発明の第1実施形態に係る無線電力伝送システムについて説明する。図15は本発明の第1実施形態に係る無線電力電送システムの送電用カプラ110Cの構成例を示す図である。この図において、図12と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図15では、図12に比較して、電極111,112と接続線115,116の間にチップコンデンサ311,312がそれぞれ挿入されている。チップコンデンサ311は、一方の端子が接続線115の一端に接続され、他方の端子が電極111に接続されている。チップコンデンサ312は、一方の端子が接続線116の一端に接続され、他方の端子が電極112に接続されている。それ以外の構成は図12と同様である。なお、受電用カプラ120Cも送電用カプラ110Cと同様の構成とされる。
(B) Description of First Embodiment Next, a wireless power transmission system according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of a power transmission coupler 110C of the wireless power transmission system according to the first embodiment of the present invention. In this figure, parts corresponding to those in FIG. 15, chip capacitors 311 and 312 are inserted between the electrodes 111 and 112 and the connection lines 115 and 116, respectively, as compared to FIG. The chip capacitor 311 has one terminal connected to one end of the connection line 115 and the other terminal connected to the electrode 111. The chip capacitor 312 has one terminal connected to one end of the connection line 116 and the other terminal connected to the electrode 112. Other configurations are the same as those in FIG. The power receiving coupler 120C is configured similarly to the power transmitting coupler 110C.

図16は図15に示す送電用カプラ110Cと受電用カプラ120Cを用いた無線電力電送システムの構成例を示す図である。この図の例では、送電用カプラ110Cと受電用カプラ120Cを20cm隔てて対向配置されている。また、インダクタ113A,114A,123A,124Aは、それぞれ巻き数が8回とされ、インダクタンス値は1.72μHとされている。このときの各インダクタに付随する抵抗値は0.3Ωである。また、チップコンデンサ311,312,411,412の素子値はそれぞれ10.4pFとされている。   FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration example of a wireless power transmission system using the power transmission coupler 110C and the power reception coupler 120C illustrated in FIG. In the example of this figure, the power transmission coupler 110C and the power reception coupler 120C are disposed to face each other with a distance of 20 cm. The inductors 113A, 114A, 123A, and 124A each have eight turns and an inductance value of 1.72 μH. The resistance value associated with each inductor at this time is 0.3Ω. The element values of the chip capacitors 311, 312, 411, and 412 are 10.4 pF, respectively.

図17は、図16に示す無線電力電送システムの等価回路を示す図である。なお、図17において、図9と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図17は、図9と比較すると、交流電力発生部17とインダクタ3および抵抗2の間にチップコンデンサ311,312に対応するキャパシタ500がそれぞれ挿入され、負荷27とインダクタ7および抵抗8の間にチップコンデンサ411,412に対応するキャパシタ501がそれぞれ挿入されている。なお、これ以外の構成は図9と同様である。図16に示す無線電力電送システムでは、チップコンデンサ311,312,411,412を直列に付加することで、図9に示す等価回路の並列共振周波数よりも低い周波数で、直列共振周が生じる。すなわち、共振周波数を下げることができる。なお、入力インピーダンスもチップコンデンサの付加によって変化するので、インダクタとチップコンデンサの素子値をうまく組み合わせることで、共振周波数において、例えば、50Ωに整合を図ることができる。   FIG. 17 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the wireless power transmission system illustrated in FIG. 16. In FIG. 17, the same reference numerals are given to the portions corresponding to those in FIG. Compared with FIG. 9, FIG. 17 shows that the capacitors 500 corresponding to the chip capacitors 311 and 312 are inserted between the AC power generation unit 17 and the inductor 3 and the resistor 2, respectively, and between the load 27 and the inductor 7 and the resistor 8. Capacitors 501 corresponding to the chip capacitors 411 and 412 are respectively inserted. Other configurations are the same as those in FIG. In the wireless power transmission system shown in FIG. 16, by adding the chip capacitors 311, 312, 411, 412 in series, a series resonance circumference is generated at a frequency lower than the parallel resonance frequency of the equivalent circuit shown in FIG. That is, the resonance frequency can be lowered. Since the input impedance also changes due to the addition of the chip capacitor, matching can be achieved to, for example, 50Ω at the resonance frequency by properly combining the element values of the inductor and the chip capacitor.

図18は、図16に示す無線電力電送システムの送電用カプラ110Cと受電用カプラ120Cを20cm隔てて対向配置した場合における送電用カプラ110Dから受電用カプラ120Dへの伝送効率η21(=|S21|^2)と、反射損η11(=|S11|^2)の周波数特性を示す図である。なお、この例では、インダクタ113,114,123,124は、それぞれ、巻き数が8回、インダクタンス値が1.72μHとされ、このときの各インダクタに付随する抵抗値は0.3Ωである。回路基板118,128のサイズ(DとL)は250×250mmとされ、電極111,112および電極121,122間のギャップd1は34.4mmとされている。この図に示すように、図17に示す無線電力伝送システムの伝送効率η21は約27MHzにおいて90%以上となり、また、反射損η11は約27MHzにおいて0となっている。   FIG. 18 shows a transmission efficiency η21 (= | S21 |) from the power transmission coupler 110D to the power reception coupler 120D when the power transmission coupler 110C and the power reception coupler 120C of the wireless power transmission system shown in FIG. It is a figure which shows the frequency characteristic of (^ 2) and reflection loss (eta) 11 (= | S11 | ^ 2). In this example, each of the inductors 113, 114, 123, and 124 has eight turns and an inductance value of 1.72 μH, and the resistance value associated with each inductor at this time is 0.3Ω. The sizes (D and L) of the circuit boards 118 and 128 are 250 × 250 mm, and the gap d1 between the electrodes 111 and 112 and the electrodes 121 and 122 is 34.4 mm. As shown in this figure, the transmission efficiency η21 of the wireless power transmission system shown in FIG. 17 is 90% or more at about 27 MHz, and the reflection loss η11 is 0 at about 27 MHz.

図19は、図16に示す無線電力電送システムの入力インピーダンス特性を示す図である。図19に示すように、入力インピーダンスの実部Reは約27MHzにおいて50Ωとなり、また、虚部も約27MHzにおいて0Ωとなっている。なお、同じインダクタを用いている図12の特性(図14参照)と比較すると、共振周波数が38MHzから27MHzに低下している。   FIG. 19 is a diagram showing the input impedance characteristics of the wireless power transmission system shown in FIG. As shown in FIG. 19, the real part Re of the input impedance is 50Ω at about 27 MHz, and the imaginary part is 0Ω at about 27 MHz. In addition, compared with the characteristic of FIG. 12 (refer FIG. 14) using the same inductor, the resonant frequency has fallen from 38 MHz to 27 MHz.

以上に説明したように、本発明の第1実施形態に係る無線電力電送システムでは、チップコンデンサを直列接続することにより、図5に示す構成と比較して、同じ共振周波数でもインダクタとして素子値が小さいものを使用することが可能になるので、装置のサイズを小型化することができる。また、素子値が小さいインダクタを使用した場合でも、伝送効率を高く保つことができる。   As described above, in the wireless power transmission system according to the first embodiment of the present invention, by connecting chip capacitors in series, an element value as an inductor can be obtained even at the same resonance frequency as compared with the configuration shown in FIG. Since a small device can be used, the size of the device can be reduced. Even when an inductor having a small element value is used, the transmission efficiency can be kept high.

(C)第2実施形態の説明
つぎに、本発明の第2実施形態に係る無線電力伝送システムについて説明する。図20は本発明の第2実施形態に係る無線電力電送システムの構成例を示す図である。この図において、図16と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図20では、図16に比較して、チップコンデンサが除外され、その代わりに、回路基板118,128を利用したキャパシタが配置されている。より詳細には、図20の例では、回路基板128の裏面128Bには、電極121,122の一部に対向する位置に、矩形形状を有する導電性部材によってキャパシタ電極711,712が形成され、回路基板128の表面128Aに形成されている電極211,212との間にキャパシタが形成される。キャパシタ電極711,712は接続線125,126に接続されている。回路基板118の裏面119Bには、電極111,112の一部に対向する位置に、矩形形状を有する導電性部材によってキャパシタ電極611,612が形成され、回路基板118の表面118Aに形成されている電極111,112との間にキャパシタが形成される。キャパシタ電極611,612は接続線115,116に接続されている。
(C) Description of Second Embodiment Next, a wireless power transmission system according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 20 is a diagram illustrating a configuration example of a wireless power transmission system according to the second embodiment of the present invention. In this figure, portions corresponding to those in FIG. 16 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. In FIG. 20, compared with FIG. 16, the chip capacitors are excluded, and instead, capacitors using circuit boards 118 and 128 are arranged. More specifically, in the example of FIG. 20, capacitor electrodes 711 and 712 are formed on the back surface 128 </ b> B of the circuit board 128 by a conductive member having a rectangular shape at a position facing a part of the electrodes 121 and 122. A capacitor is formed between the electrodes 211 and 212 formed on the surface 128 </ b> A of the circuit board 128. The capacitor electrodes 711 and 712 are connected to connection lines 125 and 126. On the back surface 119B of the circuit board 118, capacitor electrodes 611 and 612 are formed by a conductive member having a rectangular shape at a position facing a part of the electrodes 111 and 112, and are formed on the front surface 118A of the circuit board 118. A capacitor is formed between the electrodes 111 and 112. The capacitor electrodes 611 and 612 are connected to the connection lines 115 and 116.

図20に示す第2実施形態では、送電用カプラ110Dと受電用カプラ120Dを20cm隔てて対向配置されている。また、インダクタ113A,114A,123A,124Aはそれぞれ巻き数が8回とされインダクタンス値は1.72μHとされている。このときの各インダクタに付随する抵抗値は0.3Ωである。また、キャパシタ電極611,612と電極111,112によるキャパシタの素子値は共振周波数が約28MHzになるように設定され、キャパシタ電極711,712と電極121,122によるキャパシタの素子値も共振周波数が約28MHzになるように設定されている。なお、図20に示す第2実施形態の等価回路は、図17と同様である。   In the second embodiment shown in FIG. 20, the power transmission coupler 110D and the power reception coupler 120D are arranged to face each other with a distance of 20 cm. The inductors 113A, 114A, 123A, and 124A each have eight turns and an inductance value of 1.72 μH. The resistance value associated with each inductor at this time is 0.3Ω. Also, the capacitor element values of the capacitor electrodes 611 and 612 and the electrodes 111 and 112 are set so that the resonance frequency is about 28 MHz, and the capacitor element values of the capacitor electrodes 711 and 712 and the electrodes 121 and 122 are also about the resonance frequency. It is set to be 28 MHz. The equivalent circuit of the second embodiment shown in FIG. 20 is the same as that of FIG.

図21は、図20に示す無線電力電送システムの送電用カプラ110Dと受電用カプラ120Dを20cm隔てて対向配置した場合における送電用カプラ110Dから受電用カプラ120Dへの伝送効率η21(=|S21|^2)と、反射損η11(=|S11|^2)の周波数特性を示す図である。なお、この例では、インダクタ113,114,123,124は、それぞれ、巻き数が8回、インダクタンス値が1.72μHとされている。このときの各インダクタに付随する抵抗値は0.3Ωである。回路基板118,128のサイズ(DとL)は250×250mmとされ、電極111,112および電極121,122間のギャップd1は34.4mmとされている。この図に示すように、伝送効率η21は約28MHzにおいて90%以上となり、また、反射損η11は約28MHzにおいて0となっている。   FIG. 21 shows the transmission efficiency η21 (= | S21 |) from the power transmission coupler 110D to the power reception coupler 120D when the power transmission coupler 110D and the power reception coupler 120D of the wireless power transmission system shown in FIG. It is a figure which shows the frequency characteristic of (^ 2) and reflection loss (eta) 11 (= | S11 | ^ 2). In this example, each of the inductors 113, 114, 123, and 124 has eight turns and an inductance value of 1.72 μH. The resistance value associated with each inductor at this time is 0.3Ω. The sizes (D and L) of the circuit boards 118 and 128 are 250 × 250 mm, and the gap d1 between the electrodes 111 and 112 and the electrodes 121 and 122 is 34.4 mm. As shown in this figure, the transmission efficiency η21 is 90% or more at about 28 MHz, and the reflection loss η11 is 0 at about 28 MHz.

図22は、図20に示す送電用カプラ110Dと受電用カプラ120Dを用いた無線電力伝送システムの入力インピーダンス特性を示す図である。図22に示すように、入力インピーダンスの実部Reは約28MHzにおいて50Ωとなり、また、虚部も約28MHzにおいて0Ωとなっている。   FIG. 22 is a diagram illustrating the input impedance characteristics of the wireless power transmission system using the power transmission coupler 110D and the power reception coupler 120D illustrated in FIG. As shown in FIG. 22, the real part Re of the input impedance is 50Ω at about 28 MHz, and the imaginary part is 0Ω at about 28 MHz.

以上に説明したように、本発明の第2実施形態に係る無線電力電送システムでは、コンデンサを直列接続することにより、図5に示す構成と比較して、同じ共振周波数でもインダクタとして素子値が小さいものを使用することが可能になるので、装置のサイズを小型化することができる。   As described above, in the wireless power transmission system according to the second embodiment of the present invention, by connecting capacitors in series, the element value is small as an inductor even at the same resonance frequency compared to the configuration shown in FIG. Since it becomes possible to use a thing, the size of an apparatus can be reduced in size.

また、第2実施形態では、第1実施形態と比較すると、回路基板118,128を利用してコンデンサを構成することができるため、部品点数を減らすことができる。   Further, in the second embodiment, compared to the first embodiment, the capacitor can be configured using the circuit boards 118 and 128, so that the number of parts can be reduced.

(C)変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の各実施形態では、電極111,112および電極121,122は同じサイズを有するようにしたが、これらが異なるサイズを有するようにしてもよい。具体的には、電極121,122が電極111,112よりも小さいサイズになるようにしてもよい。もちろん、その逆の構成でもよい。
(C) Description of Modified Embodiment It goes without saying that the above embodiment is merely an example, and the present invention is not limited to the case described above. For example, in each of the above embodiments, the electrodes 111 and 112 and the electrodes 121 and 122 have the same size, but they may have different sizes. Specifically, the electrodes 121 and 122 may be smaller in size than the electrodes 111 and 112. Of course, the reverse configuration may be used.

また、以上の実施形態では、電極111,112および電極121,122を対向配置するようにしたが、例えば、これらが図16に示すX方向またはY方向にずれた状態で配置されるようにしてもよい。あるいは、送電用カプラ110と受電用カプラ120が所定の角度だけ相対的に回転するように配置してもよい。   Further, in the above embodiment, the electrodes 111 and 112 and the electrodes 121 and 122 are arranged to face each other. For example, they are arranged so as to be shifted in the X direction or the Y direction shown in FIG. Also good. Alternatively, the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 may be arranged so as to relatively rotate by a predetermined angle.

また、電極111,112および電極121,122の形状は、矩形形状ではなく、円形または楕円形状であってもよい。あるいは、平板形状ではなく、湾曲したり、屈曲したりした形状であってもよいし、球形等の立体形状であってもよい。   Further, the shapes of the electrodes 111 and 112 and the electrodes 121 and 122 may be circular or elliptical instead of rectangular. Alternatively, it may be a curved or bent shape instead of a flat plate shape, or a three-dimensional shape such as a spherical shape.

また、インダクタ113,114およびインダクタ123,124は、2つのインダクタを接続する構成としたが、これらを1つの構成としてもよい。また、以上の各実施形態では、インダクタとしては、導体線を円柱状に巻回して構成するようにしたが、例えば、マイクロストリップラインで使用されるような、平面上を蛇行する形状を有するものや、平面上で螺旋形状を有するものによって構成するようにしてもよい。   Moreover, although the inductors 113 and 114 and the inductors 123 and 124 are configured to connect two inductors, they may be configured as one. In each of the above embodiments, the inductor is configured by winding a conductor wire in a cylindrical shape. For example, the inductor has a shape meandering on a plane as used in a microstrip line. Or you may make it comprise by what has a spiral shape on a plane.

また、第1実施形態ではチップコンデンサを用い、第2実施形態では回路基板を誘電体とするコンデンサを用いるようにしたが、チップコンデンサと回路基板を誘電体として用いるコンデンサを組み合わせて用いるようにしてもよい。例えば、送電用カプラまたは受電用カプラの一方だけをチップコンデンサにして他方は回路基板を用いたコンデンサとしてもよい。もちろん、送電用カプラまたは受電用カプラのそれぞれについて、チップコンデンサと回路基板を用いたコンデンサを組み合わせて使用してもよい。   In the first embodiment, a chip capacitor is used, and in the second embodiment, a capacitor using a circuit board as a dielectric is used. However, a chip capacitor and a capacitor using a circuit board as a dielectric are used in combination. Also good. For example, only one of the power transmission coupler and the power reception coupler may be a chip capacitor, and the other may be a capacitor using a circuit board. Of course, a chip capacitor and a capacitor using a circuit board may be used in combination for each of the power transmission coupler and the power reception coupler.

1 無線電力伝送システム
10 送電装置
11,12 電極
13,14 インダクタ
15,16 接続線
17 交流電力発生部
20 受電装置
21,22 電極
23,24 インダクタ
25,26 接続線
27 負荷
110 送電用カプラ
111,112 電極(第1電極、第2電極)
113A,114A インダクタ(第1インダクタ)
115,116 接続線(第1接続線、第2接続線)
118 回路基板
120 受電用カプラ
121,122 電極(第3電極、第4電極)
123A,124A インダクタ(第2インダクタ)
125,126 接続線(第3接続線、第4接続線)
128 回路基板
222 電源部負荷
311,312 チップコンデンサ(第1キャパシタ)
411,412 チップコンデンサ(第2キャパシタ)
611,612 キャパシタ電極(第1キャパシタ)
711,712 キャパシタ電極(第2キャパシタ)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wireless power transmission system 10 Power transmission apparatus 11,12 Electrode 13,14 Inductor 15,16 Connection line 17 AC power generation part 20 Power reception apparatus 21,22 Electrode 23,24 Inductor 25,26 Connection line 27 Load 110 Transmission coupler 111, 112 electrodes (first electrode, second electrode)
113A, 114A inductor (first inductor)
115, 116 connection line (first connection line, second connection line)
118 circuit board 120 power receiving coupler 121, 122 electrode (third electrode, fourth electrode)
123A, 124A inductor (second inductor)
125, 126 connection lines (third connection line, fourth connection line)
128 Circuit board 222 Power supply load 311, 312 Chip capacitor (first capacitor)
411, 412 Chip capacitor (second capacitor)
611,612 Capacitor electrode (first capacitor)
711,712 capacitor electrode (second capacitor)

Claims (6)

送電装置から受電装置に対して無線で交流電力を伝送する無線電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、
所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ/2π以下の長さを有する第1および第2電極と、
前記第1および第2電極間に接続された第1インダクタと、
前記第1および第2電極と交流電力発生部の2つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第1および第2接続線と、
前記第1および第2電極と前記交流電力発生部の2つの出力端子の少なくとも一方との間に挿入される第1キャパシタと、を有し、
前記受電装置は、
所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ/2π以下の長さを有する第3および第4電極と、
前記第3および第4電極間に接続された第2インダクタと、
前記第3および第4電極と負荷の2つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第3および第4接続線と、
前記第3および第4電極と前記負荷の2つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第2キャパシタと、を有し、
前記第1および第2電極ならびに前記第1キャパシタと、前記第1インダクタとによって構成されるカプラが一の共振回路を形成し、前記第3および第4電極ならびに前記第2キャパシタと、前記第2インダクタとによって構成されるカプラが他の共振回路を形成し、
前記第1および第2電極ならびに前記第1キャパシタと、前記第1インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と、前記第3および第4電極ならびに前記第2キャパシタと、前記第2インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数が略等しくなるように設定され、前記第1および第2電極と前記第3および第4電極は近傍界であるλ/2π以下の距離を隔てて配置される、
ことを特徴とする無線電力伝送システム。
In a wireless power transmission system that transmits AC power wirelessly from a power transmitting device to a power receiving device,
The power transmission device is:
First and second electrodes arranged at a predetermined distance and having a total width including the predetermined distance of λ / 2π or less which is a near field;
A first inductor connected between the first and second electrodes;
First and second connection lines that electrically connect the first and second electrodes and the two output terminals of the AC power generation unit, respectively;
A first capacitor inserted between the first and second electrodes and at least one of the two output terminals of the AC power generation unit;
The power receiving device is:
A third electrode and a fourth electrode arranged at a predetermined distance and having a length equal to or less than λ / 2π, the total width including the predetermined distance being a near field;
A second inductor connected between the third and fourth electrodes;
Third and fourth connection lines that electrically connect the third and fourth electrodes and the two input terminals of the load, respectively;
A second capacitor inserted between the third and fourth electrodes and at least one of the two input terminals of the load;
A coupler constituted by the first and second electrodes, the first capacitor, and the first inductor forms one resonance circuit, and the third and fourth electrodes, the second capacitor, and the second capacitor. A coupler composed of an inductor forms another resonant circuit,
Resonant frequency of a coupler constituted by the first and second electrodes and the first capacitor and the first inductor, and constituted by the third and fourth electrodes and the second capacitor and the second inductor. And the first and second electrodes and the third and fourth electrodes are arranged at a distance of λ / 2π or less which is a near field.
A wireless power transmission system.
前記第1および第2キャパシタの少なくとも一方は、前記第1および第2電極の少なくとも一方に対向するように設けられた電極、または、前記第3および第4電極の少なくとも一方に対向するように設けられた電極を有していることを特徴とする請求項1に記載の無線電力電送システム。   At least one of the first and second capacitors is provided to face at least one of the first and second electrodes or at least one of the third and fourth electrodes. The wireless power transmission system according to claim 1, further comprising: a plurality of electrodes. 前記第1および第2電極は誘電体基板上に形成され、前記第1キャパシタは前記誘電体基板を挟んで前記第1および第2電極の少なくとも一方と対向するように配置された電極を有し、
前記第3および第4電極は誘電体基板上に形成され、前記第2キャパシタは前記誘電体基板を挟んで前記第3および第4電極の少なくとも一方と対向するように配置された電極を有する、
ことを特徴とする請求項2に記載の無線電力伝送システム。
The first and second electrodes are formed on a dielectric substrate, and the first capacitor has an electrode arranged to face at least one of the first and second electrodes with the dielectric substrate interposed therebetween. ,
The third and fourth electrodes are formed on a dielectric substrate, and the second capacitor has an electrode disposed so as to face at least one of the third and fourth electrodes with the dielectric substrate interposed therebetween.
The wireless power transmission system according to claim 2.
前記第1および第2キャパシタの少なくとも一方は、チップコンデンサによって構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の無線電力電送システム。   The wireless power transmission system according to claim 1, wherein at least one of the first and second capacitors is configured by a chip capacitor. 送電装置から受電装置に対して無線で交流電力を伝送する無線電力伝送システムの前記送電装置において、
所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ/2π以下の長さを有する第1および第2電極と、
前記第1および第2電極間に接続された第1インダクタと、
前記第1および第2電極と交流電力発生部の2つの出力端子とをそれぞれ電気的に接続する第1および第2接続線と、
前記第1および第2電極と前記交流電力発生部の2つの出力端子の少なくとも一方の間に挿入される第1キャパシタと、
前記第1および第2電極ならびに前記第1キャパシタと、前記第1インダクタとによって構成されるカプラが一の共振回路を形成し、前記受電装置が有する第3および第4電極ならびに第2キャパシタと、第2インダクタとによって構成されるカプラが他の共振回路を形成し、
前記第1および第2電極ならびに前記第1キャパシタと、前記第1インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数は、前記受電装置が有する前記第3および第4電極ならびに前記第2キャパシタと前記第2インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と略等しくなるように設定され、前記第1および第2電極と前記第3および第4電極は近傍界であるλ/2π以下の距離を隔てて配置される、
ことを特徴とする送電装置。
In the power transmission device of the wireless power transmission system that wirelessly transmits AC power from the power transmission device to the power reception device,
First and second electrodes arranged at a predetermined distance and having a total width including the predetermined distance of λ / 2π or less which is a near field;
A first inductor connected between the first and second electrodes;
First and second connection lines that electrically connect the first and second electrodes and the two output terminals of the AC power generation unit, respectively;
A first capacitor inserted between at least one of the first and second electrodes and the two output terminals of the AC power generation unit;
A coupler constituted by the first and second electrodes and the first capacitor and the first inductor forms one resonance circuit, and the third and fourth electrodes and the second capacitor of the power receiving device, A coupler constituted by the second inductor forms another resonance circuit,
Said first and second electrode and the first capacitor, the resonant frequency of the coupler constituted by the first inductor, the power receiving apparatus wherein the second and the third and fourth electrodes and the second capacitor having the The first and second electrodes and the third and fourth electrodes are arranged at a distance of λ / 2π or less that is a near field. The
A power transmission device characterized by that.
送電装置から受電装置に対して無線で交流電力を伝送する無線電力伝送システムの前記受電装置において、
所定の距離を隔てて配置され、当該所定の距離を含む合計幅が近傍界であるλ/2π以下の長さを有する第3および第4電極と、
前記第3および第4電極間に接続された第2インダクタと、
前記第3および第4電極と負荷の2つの入力端子とをそれぞれ電気的に接続する第3および第4接続線と、
前記第3および第4電極と前記負荷の2つの入力端子の少なくとも一方の間に挿入される第2キャパシタと、を有し、
前記送電装置が有する第1および第2電極ならびに第1キャパシタと、第1インダクタとによって構成されるカプラが一の共振回路を形成し、前記第3および第4電極ならびに前記第2キャパシタと、前記第2インダクタとによって構成されるカプラが他の共振回路を形成し、
前記第3および第4電極ならびに前記第2キャパシタと、前記第2インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数は、前記第1および第2電極ならびに前記第1キャパシタと、前記第1インダクタとによって構成されるカプラの共振周波数と略等しくなるように設定され、前記第1および第2電極と前記第3および第4電極は近傍界であるλ/2π以下の距離を隔てて配置される、
ことを特徴とする受電装置。
In the power receiving device of the wireless power transmission system that wirelessly transmits AC power from the power transmitting device to the power receiving device,
A third electrode and a fourth electrode arranged at a predetermined distance and having a length equal to or less than λ / 2π, the total width including the predetermined distance being a near field;
A second inductor connected between the third and fourth electrodes;
Third and fourth connection lines that electrically connect the third and fourth electrodes and the two input terminals of the load, respectively;
A second capacitor inserted between the third and fourth electrodes and at least one of the two input terminals of the load;
A coupler constituted by the first and second electrodes and the first capacitor and the first inductor included in the power transmission device forms one resonance circuit, and the third and fourth electrodes and the second capacitor, A coupler constituted by the second inductor forms another resonance circuit,
Configuration and said third and fourth electrodes and the second capacitor, the resonant frequency of the coupler constituted by the second inductor, said first and second electrode and the first capacitor, the said first inductor The first and second electrodes and the third and fourth electrodes are arranged at a distance of λ / 2π or less, which is a near field.
A power receiving device.
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