JP5738497B1 - 共振結合型電力伝送システム、共振型電力送信装置及び共振型電力受信装置 - Google Patents

Abstract

電力を供給する共振型電源１１、及び共振型電源１１により供給された電力を伝送する共振型送信アンテナ１３を有する共振型電力送信装置１と、共振型送信アンテナ１３により伝送された電力を受信する共振型受信アンテナ２１、及び共振型受信アンテナ２１により受信された電力を負荷へ供給する受信回路２３を有する共振型電力受信装置２とを備え、共振型電源１１の共振特性値、共振型送信アンテナ１３の共振特性値及び共振型電力受信装置２の共振特性値に相関関係を持たせるように、各機能部の特性インピーダンスを設定した。

Description

この発明は、共振型送受信アンテナの共振特性を利用して電力伝送を行う共振結合型電力伝送システム、共振型電力送信装置及び共振型電力受信装置に関するものである。

従来から、エネルギーを無線で転送する装置が知られている（例えば特許文献１−３参照）。この装置は、第１の共振器構造（共振型送信アンテナ）と、この第１の共振器構造から遠位に位置する第２の共振器構造（共振型受信アンテナ）から構成されている。第１の共振器構造は、電力供給源（交流出力型電源）からエネルギーを受け取って、電磁共鳴（磁界共振結合）により第２の共振器構造へ非放射で転送するものである。また、第２の共振器構造は、第１の共振器構造からのエネルギーを受けて外部負荷（受信回路）へ供給するものである。また、第１の共振器構造の共振特性値Ｑ１及び第２の共振器構造の共振特性値Ｑ２が下式（１）を満たすように設定されている。
√（Ｑ１・Ｑ２）＞１００ （１）
これにより、エネルギーの転送効率を下げることなく、第１，２の共振器構造間の距離を、その特徴的なサイズ（従来の電磁誘導による距離）よりも大きくすることができる。

特開２０１１−１７７０１８号公報 特表２０１２−５０２６０２号公報 特表２００９−５０１５１０号公報

しかしながら、特許文献１−３に開示された従来装置では、第１，２の共振器構造の共振特性値Ｑ１，Ｑ２のみを考慮しており、第１の共振器構造に繋がる電力供給源による共振特性値の変動、及び第２の共振器構造に繋がる外部負荷による共振特性値の変動が考慮されていないという課題がある。
すなわち、高周波回路では、回路ブロック毎にインピーダンスの整合をとるインタフェースが必要となる。一方、従来装置では、第１，２の共振器構造の共振特性値Ｑ１，Ｑ２のみを考慮していることから、第１の共振器構造と電力供給源との間、及び第２の共振器構造と外部負荷との間に、上記インタフェースが設けられることになる。この構成の場合、第１，２の共振器構造間では、高効率に電力伝送を行うことができる。しかしながら、電力供給源及び外部負荷を含むシステム全体としてみた場合、上記のようなインタフェースがあることで、電力損失が非常に大きくなる。

また、式（１）の条件では、第１，２の共振器構造間の結合度が適切でない場合、つまり、第１，２の共振器構造間の距離によっては、ロスエネルギーが大きく、効率的な電力伝送が行えないという課題がある。また、上記条件では、第１，２の共振器構造のアンテナ構成が制限されてしまい自由度がなく、小型化、軽量化、低コスト化が困難であるという課題がある。また、上記条件では、第１，２の共振器構造の一部として用いるキャパシタに高電圧が加わるため、高耐圧なキャパシタ等の特殊部品が必要となり、小型化、軽量化、低コスト化が困難であるという課題がある。

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、共振型電源及び受信回路の影響による共振特性値の変動を考慮した設定を行い、従来装置に対してシステム全体での電力伝送の高効率化を図ることができる共振結合型電力伝送システム、共振型電力送信装置及び共振型電力受信装置を提供することを目的としている。

この発明に係る共振結合型電力伝送システムは、電力を供給する共振型電源、及び共振型電源により供給された電力を伝送する共振型送信アンテナを有する共振型電力送信装置と、共振型送信アンテナにより伝送された電力を受信する共振型受信アンテナ、及び共振型受信アンテナにより受信された電力を負荷へ供給する受信回路を有する共振型電力受信装置とを備え、共振型電源の共振特性値をＱｏとし、共振型送信アンテナの共振特性値をＱｔとし、共振型電力受信装置の共振特性値をＱｒとしたとき、０．５Ｑｒ≦√（Ｑｏ・Ｑｔ）≦１．５Ｑｒを満たすように、共振型電源、共振型送信アンテナ、共振型受信アンテナ及び受信回路の特性インピーダンスを設定したものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、共振型電源及び受信回路の影響による共振特性値の変動を考慮した設定を行い、従来装置に対してシステム全体での電力伝送の高効率化を図ることができる。

この発明の実施の形態１に係る共振結合型電力伝送システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振結合型電力伝送システムの構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１における共振型送受信アンテナ間の距離と結合係数との関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振結合型電力伝送システムの電力伝送効率を示す図であり、（ａ）ｋ√（Ｑｏ・Ｑｔ）＞１，ｋ・Ｑｒ＞１の場合を示す図であり、（ｂ）ｋ√（Ｑｏ・Ｑｔ）≒１，ｋ・Ｑｒ≒１の場合を示す図であり、（ｃ）ｋ√（Ｑｏ・Ｑｔ）＜１，ｋ・Ｑｒ＜１の場合を示す図である。 この発明の実施の形態１における共振型送受信アンテナの共振周波数の設定を説明する図であり、（ａ）共振型送受信アンテナの共振周波数を示す図であり、（ｂ）共振型送受信アンテナの共振周波数の設定による電力伝送効率を示す図である。 この発明の実施の形態１における共振型電源回路の別の構成を示す回路図であり、（ａ）ブリッジ型コンバータを示す図であり、（ｂ）Ｄ級コンバータを示す図であり、（ｃ）ＤＥ級コンバータを示す図である。 この発明の実施の形態１における整流回路の別の構成を示す回路図であり、（ａ）Ｅ級整流回路を示す図であり、（ｂ）倍電流整流回路を示す図であり、（ｃ）半波整流回路を示す図であり、（ｄ）倍電圧整流回路を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振結合型電力伝送システムの別の構成を示す図である。

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に係る共振結合型電力伝送システムの構成を示す図であり、図２は具体的な回路図である。
共振結合型電力伝送システムは、図１，２に示すように、共振型電力送信装置１及び共振型電力受信装置２から構成されている。なお図２に示す共振結合型電力伝送システムでは、後述する共振型電源１１の共振周波数が２ＭＨｚ以上である場合を示しているが、２ＭＨｚ未満のものを用いてもよい。

共振型電力送信装置１は、共振型電源１１、整合回路１２及び共振型送信アンテナ１３から構成されている。

共振型電源１１は、共振型送信アンテナ１３への電力の供給を制御するものであり、直流又は交流の入力電力を所定の周波数の交流に変換して出力するものである。この共振型電源１１は、共振スイッチング方式による電源回路で構成され、出力インピーダンスＺｏ、共振周波数ｆｏ及び共振特性値Ｑｏを有する。

整合回路１２は、共振型電源１１の出力インピーダンスＺｏと共振型送信アンテナ１３の通過特性インピーダンスＺｔとの間のインピーダンス整合を行うものである。この整合回路１２は、インダクタＬ及びキャパシタＣによるπ型やＬ型のフィルタで構成され、その通過特性インピーダンスＺｐを有する。

共振型送信アンテナ１３は、整合回路１２を介した共振型電源１１からの交流電力を入力して共振動作を行い、非放射型の電磁界を近傍に発生させることで、共振型受信アンテナ２１に対して電力伝送を行うものである。この共振型送信アンテナ１３は、コイル形状による共振型のアンテナであり、その通過特性インピーダンスＺｔ、共振周波数ｆｔ及び共振特性値Ｑｔを有する。

また、共振型電源１１の共振周波数ｆｏ及び共振特性値Ｑｏは、共振型電源１１の出力インピーダンスＺｏと整合回路１２の通過特性インピーダンスＺｐから決まる。共振型送信アンテナ１３の共振周波数ｆｔ及び共振特性値Ｑｔは、共振型送信アンテナ１３の通過特性インピーダンスＺｔと整合回路１２の通過特性インピーダンスＺｐから決まる。
そして、この２つの共振特性値Ｑｏ，Ｑｔから、共振型電力送信装置１は共振特性値Ｑｔｘ＝√（Ｑｏ・Ｑｔ）を有することになる。

共振型電力受信装置２は、共振型受信アンテナ２１、整流回路２２及び受信回路２３により構成されている。この共振型電力受信装置２は、共振周波数ｆｒ及び共振特性値Ｑｒを有している。

共振型受信アンテナ２１は、共振型送信アンテナ１３からの非放射型の電磁界と共振結合動作を行うことで電力を受信し、交流電力を出力するものである。この共振型受信アンテナ２１は、コイル形状による共振型のアンテナであり、その通過特性インピーダンスＺｒを有する。

整流回路２２は、共振型受信アンテナ２１からの交流電力を直流電力に変換する整流機能と、共振型受信アンテナ２１の通過特性インピーダンスＺｒと受信回路２３の入力インピーダンスＺＲＬとの間のインピーダンス整合を行う整合機能を有する整合型整流回路である。整合機能は、インダクタＬ及びキャパシタＣによるπ型やＬ型のフィルタで構成される。また、整流回路２２は、通過特性インピーダンスＺｓを有する。なおここでは、整流回路２２が整流機能及び整合機能を有するものとしたが、これに限るものではなく、整流効率は下がるが整流機能のみで構成してもよい。

受信回路２３は、整流回路２２からの直流電力を入力し、所定の電圧へ変換して負荷（不図示）へ供給するものである。この受信回路２３は、高周波電圧リップルを平滑するためのＬＣフィルタ（平滑フィルタ）と、所定の電圧へ変換するためのＤＣ／ＤＣコンバータ等で構成され、その入力インピーダンスＺＲＬを有している。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けず、平滑フィルタのみで構成してもよい。

また、共振型電力受信装置２の共振特性値Ｑｒ及び共振周波数ｆｒは、共振型受信アンテナ２１の通過特性インピーダンスＺｒと、整流回路２２の通過特性インピーダンスＺｓと、受信回路２３の入力インピーダンスＺＲＬから決まる。

なお、共振型送受信アンテナ１３，２１の共振結合による電力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、接触型の共振結合方式のいずれであってもよい。

そして、本発明では、共振型電源１１の共振特性値Ｑｏ、共振型送信アンテナ１３の共振特性値Ｑｔ及び共振型電力受信装置２の共振特性値Ｑｒに相関関係を持たせるように、各機能部の特性インピーダンスを設定する。すなわち、共振型電力送信装置１の共振特性値Ｑｔｘ（＝√（Ｑｏ・Ｑｔ））と共振型電力受信装置２の共振特性値Ｑｒとを近づける（下式（２））。具体的には下式（３）の範囲内であればよい。
√（Ｑｏ・Ｑｔ）≒Ｑｒ （２）
０．５Ｑｒ≦√（Ｑｏ・Ｑｔ）≦１．５Ｑｒ （３）

これにより、共振型送信アンテナ１３に繋がる共振型電源１１の影響による共振特性値の変動、及び共振型受信アンテナ２１に繋がる受信回路２３の影響による共振特性値の変動を考慮して、共振型電力送信装置１及び共振型電力受信装置２を設定することが可能となる。その結果、システム全体として高効率な電力伝送が可能となる。

次に、図３を用いて、共振型送受信アンテナ１３，２１間の距離ｄと結合係数ｋ（≒磁束鎖交率）との関係について説明する。ここで、共振型送受信アンテナ１３，２１（ヘリカル型アンテナ）の径Φを１８［ｃｍ］とした場合、距離ｄと結合係数ｋとの関係は図３（ｂ）のようになる。すなわち、距離ｄが近いほど結合係数ｋが大きくなり、距離ｄが遠くなるほど結合係数ｋが小さくなる。
しかしながら、本発明のように３つの共振特性値Ｑｏ，Ｑｔ，Ｑｒに相関関係を持たせることで、電力伝送効率を下げることなく、共振型送受信アンテナ１３，２１間の距離を、従来の電磁誘導による距離よりも大きくすることができる。

また、共振型電力送信装置１において、下式（４）を満たすように、各機能部の特性インピーダンスを設定する。具体的には下式（５）の範囲内であればよい。
ｋ√（Ｑｏ・Ｑｔ）≒１ （４）
０．５≦ｋ√（Ｑｏ・Ｑｔ）≦１．５ （５）
また、共振型電力受信装置２において、下式（６）を満たすように、各機能部の特性インピーダンスを設定する。具体的には下式（７）の範囲内であればよい。
ｋ・Ｑｒ≒１ （６）
０．５≦ｋ・Ｑｒ≦１．５ （７）
これにより、図４に示すように、システム全体としての電力伝送効率をより高めることができる。

更に、図５（ａ）に示すように、式（２），（３）の条件下において、共振型送信アンテナ１３の共振周波数ｆｔ（実線）と共振型受信アンテナ２１の共振周波数ｆｒ（破線）とを異なる値に設定する。この際、理想的には、共振特性値Ｑｔｘ，Ｑｒの交点が最も高くなるように共振周波数ｆｔ，ｆｒをずらし、且つ、当該交点を共振型電源１１の共振周波数ｆｏに一致させる。これにより、図５（ｂ）に示すように、式（２），（３）での共振特性値を最大に近づけることができ、共振周波数（伝送周波数）ｆｏにおいて、電力伝送効率を最大に近づけることができる。

次に、従来装置と本発明との違いについて説明する。
従来装置は、上述したように、第１の共振器構造（共振型送信アンテナ）の共振特性値Ｑ１と、第２の共振器構造（共振型受信アンテナ）の共振特性値Ｑ２とを式（１）を満たすように高く設定したものである。一方、本発明では、共振型電源１１の共振特性値Ｑｏ、共振型送信アンテナ１３の共振特性値Ｑｔ及び共振型電力受信装置２の共振特性値Ｑｒという３つの共振特性値に相関関係を持たせたものである。その結果、電力伝送効率を下げることなく、共振型送受信アンテナ１３，２１間の距離ｄを、従来の電磁誘導による距離よりも大きくすることができる。つまり、本発明では、従来装置の共振特性値Ｑ１，Ｑ２に相当する共振型送受信アンテナ１３，２１の共振特性値√（Ｑｏ・Ｑｔ），Ｑｒが従来装置よりも低い場合であっても、遠距離へ高効率な電力伝送が可能である。以下、具体例を示す。

まず、共振型電源１１の共振周波数ｆｏにおいて、共振型電源１１の共振特性値Ｑｏを４、共振型送信アンテナ１３の共振特性値Ｑｔを６に設定し、共振型電力受信装置２の共振特性値Ｑｒを５に設定した場合を示す。
この場合、下式（８）の関係が成立する。
√（Ｑｏ・Ｑｔ）≒Ｑｒ≒５ （８）

このとき、式（４），（６）から、下式（９）を満たす結合係数ｋの条件において、最も高効率な電力伝送が可能となる。
ｋ≒１／５＝０．２ （９）

ここで、共振型送受信アンテナ１３，２１の径Φが１８［ｃｍ］の場合（図３）、上記結合係数ｋ＝０．２を満たすためには、共振型送受信アンテナ１３，２１の距離ｄを約７ｃｍに設定すればよい。また、その共振型送受信アンテナ１３，２１間の銅損を除く伝送効率ηは下式（１０）となる。
η≒ｋ√（√（Ｑｏ・Ｑｔ）・Ｑｒ）＝９９％ （１０）

次に、共振型電源１１の共振周波数ｆｏにおいて、共振型電源１１の共振特性値Ｑｏを４０、共振型送信アンテナ１３の共振特性値Ｑｔを６０に設定し、共振型電力受信装置２の共振特性値Ｑｒを５０に設定した場合を示す。
この場合、下式（１１）の関係が成立する。
√（Ｑｏ・Ｑｔ）≒Ｑｒ≒５０ （１１）

このとき、式（４），（６）から、下式（１２）を満たす結合係数ｋの条件において、最も高効率な電力伝送が可能となる。
ｋ≒１／５０＝０．０２ （１２）

ここで、共振型送受信アンテナ１３，２１の径Φが１８［ｃｍ］の場合（図３）、上記結合係数ｋ＝０．０２を満たすためには、共振型送受信アンテナ１３，２１の距離ｄを約２０ｃｍに設定すればよい。また、その共振型送受信アンテナ１３，２１間の銅損を除く伝送効率ηは式（１０）となる。

次に、共振型電源１１の共振周波数ｆｏにおいて、共振型電源１１の共振特性値Ｑｏを１２０、共振型送信アンテナ１３の共振特性値Ｑｔを８０に設定し、共振型電力受信装置２の共振特性値Ｑｒを１００に設定した場合を示す。
この場合、下式（１３）の関係が成立する。
√（Ｑｏ・Ｑｔ）≒Ｑｒ≒１００ （１３）

このとき、式（４），（６）より、下式（１４）を満たす結合係数ｋの条件において、最も高効率な電力伝送が可能となる。
ｋ≒１／１００＝０．０１ （１４）

ここで、共振型送受信アンテナ１３，２１の径Φが１８［ｃｍ］の場合（図３）、上記結合係数ｋ＝０．０１を満たすためには、共振型送受信アンテナ１３，２１の距離ｄを約３０ｃｍに設定すればよい。また、その共振型送受信アンテナ１３，２１間の銅損を除く伝送効率ηは式（１０）となる。

以上のように、この実施の形態１によれば、共振型電源１１の共振特性値Ｑｏ、共振型送信アンテナ１３の共振特性値Ｑｔ及び共振型電力受信装置２の共振特性値Ｑｒに相関関係を持たせるように、各機能部の特性インピーダンスを設定したので、共振型電源１１及び受信回路２３の影響による共振特性値の変動を考慮して、共振型電力送信装置１及び共振型電力受信装置２を設定することが可能となり、従来装置に対してシステム全体として電力伝送の高効率化を図ることができる。また、共振型送受信アンテナ１３，２１の共振特性値に依らずに、電力伝送効率を下げることなく、共振型送受信アンテナ１３，２１間の距離を、従来の電磁誘導による距離よりも遠くすることができる。

また、共振型送受信アンテナ１３，２１の共振特性値を高めなくてもよいため、共振型送受信アンテナ１３，２１は、共振特性値で制限されない自由度のあるアンテナ設計が可能となり、小型化、軽量化、低コスト化が可能となる。また、共振型送受信アンテナ１３，２１の一部として用いられるキャパシタに、高耐圧のキャパシタ等の特殊な部品を用いる必要はないため、小型化、軽量化、低コスト化が可能となる。

なお、本発明の共振型電源１１は、図２に示す回路構成に限るものではなく、例えば図６に示すような回路構成としてもよい。ここで、図６（ａ）はブリッジ型コンバータを示し、図６（ｂ）はＤ級コンバータを示し、図６（ｃ）はＤＥ級コンバータを示している。
また、本発明の整流回路２２は、図２に示す回路構成に限るものではなく、例えば図７に示すような回路構成としてもよい。ここで、図７（ａ）はＥ級整流回路を示し、図７（ｂ）は倍電流整流回路を示し、図７（ｃ）は半波整流回路を示し、図７（ｄ）は倍電圧整流回路を示している。

また図１では、共振型電力送信装置１に整合回路１２を設けた場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、図８に示すように、整合回路１２を設けずに構成してもよい。この場合、共振型電源１１の共振周波数ｆｏ及び共振特性値Ｑｏは、共振型電源１１の出力インピーダンスＺｏと共振型送信アンテナ１３の通過特性インピーダンスＺｔから決まる。また、共振型送信アンテナ１３の共振周波数ｆｔ及び共振特性値Ｑｔは、共振型送信アンテナ１３の通過特性インピーダンスＺｔと共振型電源１１の出力インピーダンスＺｏから決まる。

また、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る共振結合型電力伝送システムは、共振型電源及び受信回路の影響による共振特性値の変動を考慮した設定を行い、従来装置に対してシステム全体での電力伝送の高効率化を図ることができ、共振型送受信アンテナの共振特性を利用して電力伝送を行う共振結合型電力伝送システム等に用いるのに適している。

１ 共振型電力送信装置、２ 共振型電力受信装置、１１ 共振型電源、１２ 整合回路、１３ 共振型送信アンテナ、２１ 共振型受信アンテナ、２２ 整流回路、２３ 受信回路。

Claims (8)

1. 電力を供給する共振型電源、及び前記共振型電源により供給された電力を伝送する共振型送信アンテナを有する共振型電力送信装置と、
   前記共振型送信アンテナにより伝送された電力を受信する共振型受信アンテナ、及び前記共振型受信アンテナにより受信された電力を負荷へ供給する受信回路を有する共振型電力受信装置とを備え、
   前記共振型電源の共振特性値をＱｏとし、前記共振型送信アンテナの共振特性値をＱｔとし、前記共振型電力受信装置の共振特性値をＱｒとしたとき、０．５Ｑｒ≦√（Ｑｏ・Ｑｔ）≦１．５Ｑｒを満たすように、前記共振型電源、前記共振型送信アンテナ、前記共振型受信アンテナ及び前記受信回路の特性インピーダンスを設定した
   ことを特徴とする共振結合型電力伝送システム。
2. 前記共振型送信アンテナと前記共振型受信アンテナとの間の結合係数をｋとしたとき、０．５≦ｋ√（Ｑｏ・Ｑｔ）≦１．５を満たす
   ことを特徴とする請求項１記載の共振結合型電力伝送システム。
3. 前記共振型送信アンテナと前記共振型受信アンテナとの間の結合係数をｋとしたとき、０．５≦ｋ・Ｑｒ≦１．５を満たす
   ことを特徴とする請求項１記載の共振結合型電力伝送システム。
4. 前記共振型送信アンテナの共振周波数と前記共振型受信アンテナの共振周波数は異なる
   ことを特徴とする請求項１記載の共振結合型電力伝送システム。
5. 前記共振型電源の共振周波数は２ＭＨｚ以上である
   ことを特徴とする請求項１記載の共振結合型電力伝送システム。
6. 前記共振型送信アンテナと前記共振型受信アンテナとの間の共振結合による電力伝送方式は、磁界、電界、電磁誘導のうちのいずれかである
   ことを特徴とする請求項１記載の共振結合型電力伝送システム。
7. 電力を供給する共振型電源と、
   前記共振型電源により供給された電力を伝送する共振型送信アンテナとを有し、
   前記共振型電源の共振特性値をＱｏとし、前記共振型送信アンテナの共振特性値をＱｔとし、前記共振型送信アンテナにより伝送された電力を受信する共振型受信アンテナ、及び前記共振型受信アンテナにより受信された電力を負荷へ供給する受信回路を有する共振型電力受信装置の共振特性値をＱｒとしたとき、０．５Ｑｒ≦√（Ｑｏ・Ｑｔ）≦１．５Ｑｒを満たすように、前記共振型電源、前記共振型送信アンテナ、前記共振型受信アンテナ及び前記受信回路の特性インピーダンスを設定した
   ことを特徴とする共振型電力送信装置。
8. 電力を供給する共振型電源、及び前記共振型電源により供給された電力を伝送する共振型送信アンテナを有する共振型電力送信装置により伝送された電力を受信する共振型受信アンテナと、
   前記共振型受信アンテナにより受信された電力を負荷へ供給する受信回路とを有し、
   前記共振型電源の共振特性値をＱｏとし、前記共振型送信アンテナの共振特性値をＱｔとし、自身の共振特性値をＱｒとしたとき、０．５Ｑｒ≦√（Ｑｏ・Ｑｔ）≦１．５Ｑｒを満たすように、前記共振型電源、前記共振型送信アンテナ、前記共振型受信アンテナ及び前記受信回路の特性インピーダンスを設定した
   ことを特徴とする共振型電力受信装置。

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