JP5907307B2 - ワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、電界結合方式により送電装置から受電装置へ電力を伝送するワイヤレス電力伝送システムに関する。

ワイヤレス電力伝送システムとして、例えば、特許文献１に示す電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムが知られている。このシステムでは、送電装置のアクティブ電極およびパッシブ電極と、受電装置のアクティブ電極およびパッシブ電極とが間隙を介して近接することにより、この二つの電極同士が容量性結合し、送電装置から受電装置へ電力が伝送される。特許文献１では、送電装置および受電装置それぞれにおいて、アクティブ電極をパッシブ電極で取り囲み、パッシブ電極間の結合容量を大きくする構成としている。これにより、不要な電場の広がりを抑制している。

特開２０１２−２１０１４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のように、アクティブ電極をパッシブ電極で覆う構成とした場合、送電装置（または受電装置）のアクティブ電極と、受電装置（または送電装置）のパッシブ電極とが近接し、不要な結合容量が大きくなる場合がある。そして、この不要な結合容量によって、電力伝送効率が低下するといった問題が生じる。特に、薄型化が要求される携帯電話機などの受電装置においては、その薄型化に伴い、電極間の距離がより近接するため、電極間の不要な結合が発生する
そこで、本発明の目的は、電極間の不要な結合を防止して、電力伝送効率を高めることができるワイヤレス電力伝送システムを提供することにある。

本発明は、送電装置に受電装置を載置した状態で、前記送電装置から前記受電装置へ、容量結合方式による電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、第１の平板電極と、第２の平板電極と、前記第１の平板電極および前記第２の平板電極に交流電圧を印加する送電側回路と、を備え、前記受電装置は、前記第１の平板電極に間隙をおいて対向する第３の平板電極と、前記受電装置の基準電位に接続され、前記第２の平板電極に間隙をおいて対向する第４の平板電極と、前記第３の電極および前記第４の電極に接続された受電側回路と、を備え、前記第３の平板電極は、前記第１の平板電極よりも面積が大きく、前記第２の平板電極と前記第４の平板電極とは、間に前記第１の平板電極および前記第３の平板電極を介在させて対向していることを特徴とする。

この構成では、送電装置の第１の平板電極と受電装置の第４の平板電極の間に介在する第３の平板電極が第１の平板電極よりも面積が大きいことにより、第１の平板電極と第４の平板電極との間に形成される浮遊容量を低減ことができる。これにより、電極間の不要な結合を抑制することができ、電力伝送効率を高めることができる。

前記第２の平板電極と前記第３の平板電極との間の距離は、前記第１の平板電極と前記第４の平板電極との間の距離より大きいことが好ましい。

この構成では、第２の平板電極と第３の平板電極の間に生じる浮遊容量を抑えることができる。

本発明は、送電装置に受電装置を載置した状態で、前記送電装置から前記受電装置へ、容量結合方式による電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、第１の平板電極と、前記第１の平板電極と略同一平面上に設けられた第２の平板電極と、前記第１の平板電極および前記第２の平板電極に交流電圧を印加する送電側回路と、を備え、前記受電装置は、前記第１の平板電極に間隙をおいて対向する第３の平板電極と、前記第２の平板電極に間隙をおいて対向し、かつ、前記第３の平板電極と略同一平面上に設けられた第４の平板電極と、前記第３の電極および前記第４の電極に接続された受電側回路と、を備え、前記第３の平板電極は、前記第１の平板電極よりも面積が大きく、前記第１の平板電極と前記第２の平板電極との間隔は、前記第３の平板電極と前記第４の平板電極との間隔より広いことを特徴とする。

この構成では、送電装置の第１の平板電極と受電装置の第４の平板電極との間隔が広くなり、電極間に生じる浮遊容量を小さくできる。これにより、電極間の不要な結合を抑制でき、電力伝送効率が高められる。

前記送電装置は、前記送電装置の基準電位に接続された第１のシールド電極を備え、前記受電装置は、前記受電装置の基準電位に接続された第２のシールド電極を備え、前記第１のシールド電極および前記第２のシールド電極は、間に前記第１の平板電極、前記第２の平板電極、前記第３の平板電極および前記第４の平板電極を介在させて対向している構成が好ましい。

この構成では、第１のシールド電極および第２のシールド電極により、第１の平板電極および第３の平板電極間の電界結合により発生するノイズの輻射を抑制することができる。また、第３の平板電極が第１の平板電極より大きいため、第１の平板電極と第２のシールド電極との間に生じる浮遊容量が抑制でき、不要な結合を回避できる。

前記第１のシールド電極と前記第３の平板電極との間の距離は、前記第１の平板電極と前記第２のシールド電極の間の距離より大きいことが好ましい。

この構成では、第１のシールド電極と第３の平板電極との間に生じる浮遊容量を抑えることができる。

前記第１のシールド電極は前記第２の電極と電気的に接続され、前記第２のシールド電極は前記第４の電極と電気的に接続されている構成でもよい。

この構成では、シールド電極と平板電極とを一の部材により形成することができる。また、第１の平板電極および第３の平板電極をそれぞれ平板電極とシールド電極とにより囲うことができ、ノイズ輻射を抑制できる。

本発明によれば、電極間に形成される浮遊容量を減らすことができ、電極間の不要な結合を防止することで、送電装置から受電装置への電力伝送の効率を高めることができる。

本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図 送電装置に受電装置を載置した状態における断面図 図２に示すアクティブ電極およびパッシブ電極のみを表した図 送電装置のアクティブ電極と受電装置のパッシブ電極との間に浮遊容量が生じた場合の回路の一部を示す図 送電装置に受電装置を載置した状態における断面図 送電装置および受電装置それぞれのアクティブ電極およびパッシブ電極の平面視図 図５に示すアクティブ電極、パッシブ電極およびシールド電極のみを表した図 実施形態２の変形例に係る送電装置および受電装置の断面図

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図である。ワイヤレス電力伝送システム３０１は送電装置１０１と受電装置２０１とを備えている。受電装置２０１は負荷ＲＬを備えている。この負荷ＲＬは二次電池と充電回路等を含めたバッテリモジュールである。そして、受電装置２０１は、そのバッテリモジュールを備えた、例えば携帯電子機器である。携帯電子機器としては携帯電話機、ＰＤＡ、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。受電装置２０１は送電装置１０１に載置され、送電装置１０１は受電装置２０１の二次電池を充電する。

送電装置１０１は、高周波発振器ＯＳＣ、昇圧トランスＴＧおよびインダクタＬＧを備えている。高周波電圧発生回路ＯＳＣは例えば１００ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの高周波電圧を発生する。昇圧トランスＴＧおよびインダクタＬＧによる昇圧回路は、高周波電圧発生回路ＯＳＣの発生する電圧を昇圧してアクティブ電極１１とパッシブ電極１２との間に印加する。図中の破線で示すキャパシタは、アクティブ電極１１およびパッシブ電極１２の間に形成される浮遊容量、または実部品である。なお、アクティブ電極１１は本発明に係る第１の平板電極、パッシブ電極１２は本発明に係る第２の平板電極に相当する。

受電装置２０１は、アクティブ電極２１およびパッシブ電極２２に接続された、インダクタＬＬおよび降圧トランスＴＬによる降圧回路と、降圧した交流電圧を直流電圧に変換する整流回路２７と、負荷ＲＬに対して規定の直流電圧を出力するＤＣ−ＤＣコンバータ２８と、負荷ＲＬとを備えている。図中の破線で示すキャパシタは、アクティブ電極２１およびパッシブ電極２２の間に形成される浮遊容量、または実部品である。なお、アクティブ電極２１は本発明に係る第３の平板電極、パッシブ電極２２は本発明に係る第４の平板電極に相当する。

このワイヤレス電力伝送システム３０１において、受電装置２０１が送電装置１０１に載置され、送電装置１０１のアクティブ電極１１およびパッシブ電極１２間に電圧が印加されることで、対向配置となったアクティブ電極１１，２１同士、および、パッシブ電極１２，２２同士がそれぞれ容量結合して電界が生じる。そして、この電界を介して電力が送電装置１０１から受電装置２０１へ伝送される。受電装置２０１では、電力伝送により誘起される交流電圧が降圧された後、整流および平滑され、負荷ＲＬに印加される。

以下の説明では、高周波発振器ＯＳＣ、昇圧トランスＴＧおよびインダクタＬＧなどを纏めて送電側回路１０とし、インダクタＬＬ、降圧トランスＴＬ、整流回路２７および負荷ＲＬを纏めて受電側回路２０とする。

図２は、送電装置１０１に受電装置２０１を載置した状態における断面図である。また、図２では、受電装置２０１を送電装置１０１に載置した状態での、アクティブ電極１１，２１およびパッシブ電極２２の平面視図も示している。

送電装置１０１は樹脂筐体を有し、受電装置２０１が載置される送電装置１０１の載置面となる樹脂層１５内には略矩形状のアクティブ電極１１が設けられている。アクティブ電極11は載置面の裏側（内部側）に貼り付けられていてもよい。また、載置面と反対側の送電装置１０１の底面には、略矩形状のパッシブ電極１２が設けられており、アクティブ電極１１と対向している。パッシブ電極１２は、アクティブ電極１１よりも面積が大きく、平面視した際に、パッシブ電極１２がアクティブ電極１１を包含する形状を成している。アクティブ電極１１は送電装置１０１の載置面、パッシブ電極１２は送電装置１０１の底面に沿って設けられているため、アクティブ電極１１とパッシブ電極１２とは、略送電装置１０１の厚さ分だけ離れている。これらアクティブ電極１１およびパッシブ電極１２には、図１で説明した送電側回路１０が電気的に接続されている。

受電装置２０１は樹脂筐体を有し、載置した際に送電装置１０１の載置面と接触する受電装置２０１の面（以下、背面という。）となる樹脂層２５内には略矩形状のアクティブ電極２１が設けられている。アクティブ電極２１は、対向するアクティブ電極１１よりも面積が大きく、平面視した際にアクティブ電極２１がアクティブ電極１１を包含する形状を成している。接触面と反対側の受電装置２０１の面（以下、正面という。）には、略矩形状のパッシブ電極２２が設けられ、アクティブ電極２１と対向している。パッシブ電極２２は、パッシブ電極１２の面積と略同じである。また、パッシブ電極２２は、アクティブ電極２１よりも面積が大きく、平面視した際にパッシブ電極２２がアクティブ電極２１を包含する形状を成している。アクティブ電極２１およびパッシブ電極２２には、図１で説明した受電側回路２０が電気的に接続されている。

以下に、アクティブ電極１１，２１およびパッシブ電極１２，２２間に形成される浮遊容量について説明する。図３は、図２に示すアクティブ電極１１，２１およびパッシブ電極１２，２２のみを表した図である。図中のＣｓ１は、アクティブ電極１１およびパッシブ電極２２の間に生じる浮遊容量、Ｃｓ２は、アクティブ電極２１およびパッシブ電極１２の間に生じる浮遊容量である。

受電装置２０１のアクティブ電極２１と送電装置１０１のパッシブ電極１２との間隔をＴ１、送電装置１０１のアクティブ電極１１と受電装置２０１のパッシブ電極２２との間隔をＴ２で表す。この場合、アクティブ電極１１，２１およびパッシブ電極１２，２２は、Ｔ２＜Ｔ１の関係が成り立つように送電装置１０１および受電装置２０１にそれぞれ設けられている。

上述のように受電装置２０１は携帯電子機器であり、薄型化が要求されている。一方で、送電装置１０１は、携帯電子機器の充電装置であり、受電装置２０１ほどの薄型化の要求はない。したがって、間隔Ｔ１を広くすることはできるが、間隔Ｔ２は狭くなる。（少なくともＴ１＞Ｔ２となる傾向にある。）間隔Ｔ１を広くすることで浮遊容量Ｃｓ２は小さくできる。具体的には、送電装置１０１のアクティブ電極１１の一辺が５０〜８０ｍｍ、受電装置２０１のアクティブ電極２１が１００ｍｍ程度であれば（送電装置１０１側のアクティブ電極１１が受電装置２０１側のアクティブ電極２１と比較して、一辺が８０％程度以下であれば）、アクティブ電極１１とアクティブ電極１２との間の距離が１ｍｍ程度のとき、浮遊容量ＣＳ２はほぼ０となる。しかしながら、仮にアクティブ電極２１がアクティブ電極１１と面積が同じ、またはアクティブ電極１１より面積が小さい場合、間隔Ｔ２が狭くなると大きな浮遊容量Ｃｓ１が生じる。なお、Ｔ１，Ｔ２の具体的数値の一例として、Ｔ１は３．２〜６．０ｍｍであり、Ｔ２は１．２〜２．５ｍｍである。

図４は、送電装置１０１のアクティブ電極１１と受電装置２０１のパッシブ電極２２との間に浮遊容量Ｃｓ１が生じた場合の回路の一部を示す図である。アクティブ電極１１とパッシブ電極２２との間に浮遊容量Ｃｓ１が形成されると、アクティブ電極１１，２１を介して伝送されるべき電力の一部が浮遊容量Ｃｓ１を介してパッシブ電極２２にも伝送される。この浮遊容量Ｃｓ１を介した電力伝送は、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送に寄与しないばかりか、損失の増大にもつながるので、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送効率が低下する。

そこで、本実施形態では、浮遊容量Ｃｓ１の発生を抑制するため、図３に示すように、アクティブ電極２１はアクティブ電極１１より面積を大きくしている。このアクティブ電極２１が障壁となり、アクティブ電極１１とパッシブ電極２２との間に生じる浮遊容量Ｃｓ１は十分に抑制される。これにより、図４に示す浮遊容量Ｃｓ１が十分に小さくなる結果、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送効率の低下を防止できる。

なお、図２では、アクティブ電極２１の面積をアクティブ電極１１の面積より大きくし、平面視した際に、アクティブ電極２１がアクティブ電極１１を包含する形状とすることで浮遊容量Ｃｓ１を低減した例を示した。しかしながら、これに限るものではなく、アクティブ電極２１の面積がアクティブ電極１１の面積より大きく、平面視した際に少なくともアクティブ電極２１がアクティブ電極１１とパッシブ電極２２との間に生じる寄生容量Ｃｓ１を十分に抑制する効果を奏すればよいため、アクティブ電極２１がアクティブ電極１１を完全に包含している必要はない。

（実施形態２）
以下に、実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システムについて説明する。実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システムの回路構成は、図１で説明した実施形態１と同様であるため、説明は省略する。

図５は、送電装置１０１に受電装置２０１を載置した状態における断面図である。図６は、送電装置１０１および受電装置２０１それぞれのアクティブ電極１１，２１およびパッシブ電極１２，２２の平面視図である。

送電装置１０１の樹脂層１５内には、矩形状のアクティブ電極１１およびパッシブ電極１２が同一平面上に設けられている。パッシブ電極１２の外形はアクティブ電極１１よりも大きく、パッシブ電極１２の中央部には、矩形状の切欠き部１２Ａが形成されている。アクティブ電極１１は切欠き部１２Ａ内に位置している。また、送電装置１０１の底面には、送電装置１０１の基準電位に接続されたシールド電極１３が設けられている。シールド電極１３は、パッシブ電極１２と略同じ大きさを有し、アクティブ電極１１およびパッシブ電極１２と対向している。シールド電極１３は、アクティブ電極１１などの結合部から生じるノイズ輻射を遮蔽している。

受電装置２０１の樹脂層２５内には、略矩形状のアクティブ電極２１およびパッシブ電極２２が同一平面上に設けられている。パッシブ電極２２は、パッシブ電極１２と略同じ大きさを有し、パッシブ電極２２の中央部には、矩形状の切欠き部２２Ａが形成されている。アクティブ電極２１は、この切欠き部２２Ａ内に位置している。アクティブ電極２１は、対向するアクティブ電極１１よりも大きい面積を有している。

ここで、アクティブ電極１１とパッシブ電極１２との間隔をＴ３で表し、アクティブ電極２１とパッシブ電極２２との間隔をＴ４で表す。この場合、アクティブ電極１１，２１およびパッシブ電極１２，２２は、Ｔ４＜Ｔ３の関係が成り立つようにそれぞれ形成されている。

また、受電装置２０１の正面には、受電装置２０１のグランド電位（基準電位）に接続されたシールド電極２３が設けられている。シールド電極２３は、パッシブ電極２２と略同じ大きさを有し、アクティブ電極２１およびパッシブ電極２２と対向している。シールド電極２３は、アクティブ電極２１などの結合部から生じるノイズ輻射を遮蔽している。

以下に、アクティブ電極１１，２１およびパッシブ電極１２，２２間に形成される浮遊容量について説明する。図７は、図５に示すアクティブ電極１１，２１、パッシブ電極１２，２２およびシールド電極１３，２３のみを表した図である。図中のＣｓ３は、アクティブ電極１１およびシールド電極２３の間に生じる浮遊容量、Ｃｓ４は、アクティブ電極２１およびシールド電極１３の間に生じる浮遊容量である。

実施形態１と同様に、薄型化の要求が少ない送電装置１０１では、装置を厚くすることができるため、受電装置２０１のアクティブ電極２１と送電装置１０１のシールド電極１３との間隔を広くすることができ、その結果、浮遊容量Ｃｓ４を小さくできる。一方で、仮にアクティブ電極２１がアクティブ電極１１の面積と同じ、またはアクティブ電極１１より面積が小さい場合、受電装置２０１の厚みを薄くする必要があることから、送電装置１０１のアクティブ電極１１と受電装置２０１のシールド電極２３との間隔が狭くなり、大きな浮遊容量Ｃｓ３が生じる。大きな浮遊容量Ｃｓ３が生じると、パッシブ電極２２とシールド電極２３とは基準電位に接続されているため、アクティブ電極１１とパッシブ電極２２とは、シールド電極２３を介して容量結合する。

そこで、本実施形態では、上述のように、アクティブ電極２１はアクティブ電極１１より大きく、かつ、Ｔ４＜Ｔ３の関係とすることで、アクティブ電極２１が障壁となり、アクティブ電極１１とシールド電極２３との間に生じる浮遊容量Ｃｓ３を十分に抑制できる。浮遊容量Ｃｓ３を抑制した結果、図４で説明したように、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送効率の低下を防止できる。

また、アクティブ電極１１とシールド電極２３との間に浮遊容量Ｃｓ３が形成されると、シールド電極２３は受電装置２０１の基準電位に接続されているため、シールド電極２３を介して受電装置２０１の基準電位にノイズが重畳する場合がある。この場合、受電装置２０１の機能の誤作動を引き起こすといった問題が生じる。しかし、本実施形態では、浮遊容量Ｃｓ３が抑制されるので、誤作動などの問題も回避できる。

上記の例において、アクティブ電極１１とパッシブ電極１２は同一平面上に形成されており、またアクティブ電極２１とパッシブ電極２２は同一平面状に形成されている例を示したが、これらは必ずしも完全に同一な面上になく、これらの電極を平面視する方向から見て互いに前後するように配置されていても、先に述べた面積の関係を有していれば、同様の効果を得ることができる。

なお、アクティブ電極１１とパッシブ電極２２との間にも浮遊容量（不図示）は生じるが、アクティブ電極１１とパッシブ電極２２とは面が対向しておらず、電極の側面同士が対向し、かつ、間隔も広いため、浮遊容量は小さく、略無視できる。

以下に、実施形態２の変形例について説明する。

図８は、実施形態２の変形例に係る送電装置１０１および受電装置２０１の断面図である。図８に示すように、送電装置１０１において、パッシブ電極１２とシールド電極１３とを接続電極１４で接続する構成であってもよい。また、受電装置２０１において、アクティブ電極２１とシールド電極２３とを接続電極２４で接続する構成であってもよい。この場合、パッシブ電極１２、シールド電極１３および接続電極１４は一の部材で形成されてもよいし、パッシブ電極１２、シールド電極１３および接続電極１４はそれぞれ別個の部材であってもよい。また、パッシブ電極２２、シールド電極２３および接続電極２４は一の部材で形成されてもよいし、アクティブ電極２１、シールド電極２３および接続電極２４はそれぞれ別個の部材であってもよい。

さらに、送電装置１０１および受電装置２０１の筐体を金属筐体とした場合に、シールド電極１３，２３は、その金属筐体を利用したものであってもよい。また、アクティブ電極１１，２１およびパッシブ電極１２，２２は、例えば円形状であってもよい。

１１−アクティブ電極（第１の平板電極）
１２−パッシブ電極（第２の平板電極）
１３−シールド電極（第１のシールド電極）
２１−アクティブ電極（第３の平板電極）
２２−パッシブ電極（第４の平板電極）
２３−シールド電極（第２のシールド電極）
１０１−送電装置
１０２−受電装置
３０１−ワイヤレス電力伝送システム
Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ３，Ｃｓ４−浮遊容量

Claims (6)

1. 送電装置に受電装置を載置した状態で、前記送電装置から前記受電装置へ、容量結合方式により非可逆的に電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムにおいて、
   前記送電装置は、
   第１の平板電極と、
   第２の平板電極と、
   前記第１の平板電極および前記第２の平板電極に交流電圧を印加する送電側回路と、
   を備え、
   前記受電装置は、
   前記第１の平板電極に間隙をおいて対向する第３の平板電極と、
   前記受電装置の基準電位に接続され、前記第２の平板電極に間隙をおいて対向する第４の平板電極と、
   前記第３の平板電極および前記第４の平板電極に接続された受電側回路と、
   を備え、
   前記第３の平板電極は、前記第１の平板電極よりも面積が大きく、
   前記第２の平板電極と前記第４の平板電極とは、間に前記第１の平板電極および前記第３の平板電極を介在させて対向している、
   ワイヤレス電力伝送システム。
2. 前記第２の平板電極と前記第３の平板電極との間の距離は、前記第１の平板電極と前記第４の平板電極との間の距離より大きい、
   請求項１のワイヤレス電力伝送システム。
3. 送電装置に受電装置を載置した状態で、前記送電装置から前記受電装置へ、容量結合方式により非可逆的に電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムにおいて、
   前記送電装置は、
   第１の平板電極と、
   前記第１の平板電極と略同一平面上に設けられた第２の平板電極と、
   前記第１の平板電極および前記第２の平板電極に交流電圧を印加する送電側回路と、
   を備え、
   前記受電装置は、
   前記第１の平板電極に間隙をおいて対向する第３の平板電極と、
   前記第２の平板電極に間隙をおいて対向し、かつ、前記第３の平板電極と略同一平面上に設けられた第４の平板電極と、
   前記第３の平板電極および前記第４の平板電極に接続された受電側回路と、
   を備え、
   前記第３の平板電極は、前記第１の平板電極よりも面積が大きく、
   前記第１の平板電極と前記第２の平板電極との間隔は、前記第３の平板電極と前記第４の平板電極との間隔より広い、
   ワイヤレス電力伝送システム。
4. 前記送電装置は、前記送電装置の基準電位に接続された第１のシールド電極を備え、
   前記受電装置は、前記受電装置の基準電位に接続された第２のシールド電極を備え、
   前記第１のシールド電極および前記第２のシールド電極は、間に前記第１の平板電極、前記第２の平板電極、前記第３の平板電極および前記第４の平板電極を介在させて対向している、
   請求項３に記載のワイヤレス電力伝送システム。
5. 前記第１のシールド電極と前記第３の平板電極との間の距離は、前記第１の平板電極と前記第２のシールド電極の間の距離より大きい、
   請求項４のワイヤレス電力伝送システム。
6. 前記第１のシールド電極は前記第２の平板電極と電気的に接続され、
   前記第２のシールド電極は前記第４の平板電極と電気的に接続されている、
   請求項４または５に記載のワイヤレス電力伝送システム。

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