JP6095957B2 - 無線電力伝送装置、給電装置、及び受電装置 - Google Patents
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Description
また、本発明は、受電モジュールに対して共振現象による磁界の変化により電力伝送を行う給電装置であって、コイル状の給電共振器を有する給電モジュールと、前記給電共振器のコイルの内周面の少なくとも一部を覆う筒状の磁性部材と、前記筒状の磁性部材の筒内部に配置された、電子回路及び充電池の少なくとも一つと、を備えていることを特徴としている。
また、本発明は、給電モジュールから共振現象による磁界の変化により電力伝送される受電装置であって、コイル状の受電共振器を有する受電モジュールと、前記受電共振器のコイルの内周面の少なくとも一部を覆う筒状の磁性部材と、前記筒状の磁性部材の筒内部に配置された、電子回路及び充電池の少なくとも一つと、を備えていることを特徴としている。
本発明に係る無線電力伝送装置200は、図1に示すように、給電コイル21及び給電共振器22(コイル)を備える給電モジュール202と、受電コイル31及び受電共振器32(コイル)を備える受電モジュール203とを有しており、給電共振器22及び受電共振器32は、この給電共振器22のコイル面と受電共振器32のコイル面同士が対向するように配置されている。また、給電モジュール202及び受電モジュール203は、給電共振器22と受電共振器32とが対向する面を除いた少なくとも一部を覆う磁性部材23・33を備えている。具体的に、磁性部材23は、円筒形状をしており、給電共振器22のコイル内周面側に、コイル内周面全体を覆うように配置されている。同様に、磁性部材33も、円筒形状をしており、受電共振器32のコイル内周面側に、コイル内周面全体を覆うように配置されている。また、給電モジュール202の給電コイル21と後述するネットワークアナライザ110の出力端子111は配線により接続され、任意の周波数で交流電力を出力端子111から給電コイル21に出力可能としている。また、受電モジュール203の受電コイル31とネットワークアナライザ110の入力端子112は配線により接続され、受電コイル31から入力端子112に入力された電力を測定可能としている。そして、給電モジュール202の給電共振器22から受電モジュール203の受電共振器32に共振現象を利用して磁界を変化させて電力伝送を行うことで、給電共振器22及び受電共振器32の周辺で発生する磁界を磁性部材23・33により遮断して、電力が給電モジュール202から受電モジュール203に伝送されるときのエネルギーの送電効率を、磁性部材23・33を配置しない場合に比べて、向上させる。
次に、給電モジュールにおける給電共振器22と受電モジュールにおける受電共振器32とを対向配置し、これらの対向面を除いた少なくとも一部を覆うように磁性部材を配置した無線電力伝送装置200・300・400(実施例1〜3)と、磁性部材を配置しない無線電力伝送装置100(比較例)について、磁界強度、伝送特性『S21』及び送電効率を測定することにより説明する。
比較例で用いる無線電力伝送装置100は、図2に示すように、給電コイル21及び給電共振器22を備える給電モジュール102と、受電コイル31及び受電共振器32を備える受電モジュール103とを備えている。そして、給電コイル21にはネットワークアナライザ110(アジレント・テクノロジー株式会社製)の出力端子111を接続している。また、受電コイル31には、ネットワークアナライザ110の入力端子112を接続している。このように構成された無線電力伝送装置100において、給電モジュール102に電力が供給されると、給電共振器22から受電共振器32に共振現象により電力を磁界エネルギーとして供給される。
f=1/(2π√(LC))・・・(式1)
比較例に係る無線電力伝送装置100を使用して測定した磁界強度、伝送特性『S21』及び送電効率の測定結果について説明する。なお、磁界強度の測定に関しては、電磁界解析を用いて解析し、磁界強度を色調で表示させることによって測定した。
次に、実施例1で用いる無線電力伝送装置200は、図5に示すように、給電コイル21、給電共振器22及び給電共振器22のコイル内周面全体を覆う円筒状の磁性部材23を備える給電モジュール202と、受電コイル31、受電共振器32及び受電共振器32のコイル内周面全体を覆う円筒状の磁性部材33を備える受電モジュール203とを備えている。そして、比較例同様に、給電コイル21にはネットワークアナライザ110の出力端子111が接続され、受電コイル31には、ネットワークアナライザ110の入力端子112が接続されている。
実施例1に係る無線電力伝送装置200を使用して測定した磁界強度、伝送特性『S21』及び送電効率の測定結果について説明する。
次に、実施例2で用いる無線電力伝送装置300は、図8に示すように、給電コイル21、給電共振器22、給電共振器22のコイル内周面全体を覆う円筒状の磁性部材23及び給電共振器22のコイル外周面全体を覆う円筒状の磁性部材24を備える給電モジュール302と、受電コイル31、受電共振器32、受電共振器32のコイル内周面全体を覆う円筒状の磁性部材33及び受電共振器32のコイル外周面全体を覆う円筒状の磁性部材34を備える受電モジュール303とを備えている。そして、実施例1同様に、給電コイル21にはネットワークアナライザ110の出力端子111が接続され、受電コイル31には、ネットワークアナライザ110の入力端子112が接続されている。
実施例2に係る無線電力伝送装置300を使用して測定した磁界強度、伝送特性『S21』及び送電効率の測定結果について説明する。
次に、実施例3で用いる無線電力伝送装置400は、図11に示すように、給電コイル21、給電共振器22、給電コイル21と給電共振器22のコイル内周面全体を覆う円筒状の磁性部材23、給電コイル21と給電共振器22のコイル外周面全体を覆う円筒状の磁性部材24及び給電共振器22のコイル対向面とは反対側の側面を覆うリング形状の磁性部材25を備える給電モジュール402と、受電コイル31、受電共振器32、受電コイル31と受電共振器32のコイル内周面全体を覆う円筒状の磁性部材33、受電コイル31と受電共振器32のコイル外周面全体を覆う円筒状の磁性部材34及び受電共振器32のコイル対向面とは反対側の側面を覆うリング形状の磁性部材35を備える受電モジュール403とを備えている。そして、実施例2同様に、給電コイル21にはネットワークアナライザ110の出力端子111が接続され、受電コイル31には、ネットワークアナライザ110の入力端子112が接続されている。
実施例3に係る無線電力伝送装置400を使用して測定した磁界強度、伝送特性『S21』及び送電効率の測定結果について説明する。
上記第一の実施例の無線電力伝送装置200、300、400では、給電モジュールにおける給電コイル及び給電共振器、受電モジュールにおける受電コイル及び受電共振器に、円形及びソレノイド型の円筒状のコイルを使用した場合について説明したが、第二の実施例では、給電モジュールにおける給電コイル及び給電共振器、受電モジュールにおける受電コイル及び受電共振器に、四角形状及び四角柱型の筒状のコイルを使用した場合の無線電力伝送装置について説明する。具体的には、給電モジュールにおける給電共振器と受電モジュールにおける受電共振器とを対向配置し、給電共振器及び受電共振器のコイル内周面側にコイル内周面全体を覆う四角柱型の筒状の磁性部材を配置した無線電力伝送装置1200と、磁性部材を配置しない無線電力伝送装置1100(以下第二比較例と呼ぶ)について、伝送特性『S21』及び送電効率を測定することにより説明する。
第二比較例で用いる無線電力伝送装置1100は、図15に示すように、四角形状をした給電コイル1121と、四角柱型の筒状コイル構造をした給電共振器1122とを備える給電モジュール1102、及び、四角形状をした受電コイル1131と、四角柱型の筒状コイル構造をした受電共振器1132とを備える受電モジュール1103とを備えている。そして、第一の実施例同様に、給電コイル1121にはネットワークアナライザ110の出力端子111が接続され、受電コイル1131には、ネットワークアナライザ110の入力端子112が接続されている。
第二実施例で用いる無線電力伝送装置1200は、図16に示すように、四角形状をした給電コイル1221と、四角柱型の筒状コイル構造をした給電共振器1222と、給電共振器1222のコイル内周面全体を覆う四角柱型の筒形状をした磁性部材1223とを備える給電モジュール1202、及び、四角形状をした受電コイル1231と、四角柱型の筒状コイル構造をした受電共振器1232と、受電共振器1232のコイル内周面全体を覆う四角柱型の筒形状をした磁性部材1233とを備える受電モジュール1203、を備えている。そして、第二比較例同様に、給電コイル1221にはネットワークアナライザ110の出力端子111が接続され、受電コイル1231には、ネットワークアナライザ110の入力端子112が接続されている。
第二比較例に係る無線電力伝送装置1100を使用して測定した伝送特性『S21』の測定結果、及び、第二実施例に係る無線電力伝送装置1200を使用して測定した伝送特性『S21』の測定結果について説明する。
上記第一の実施例の無線電力伝送装置200、300、400では、給電モジュールにおける給電コイル及び給電共振器、受電モジュールにおける受電コイル及び受電共振器に、円形及びソレノイド型の円筒状のコイルを使用した場合、また、第二の実施例における無線電力伝送装置1200では、給電モジュールにおける給電コイル及び給電共振器、受電モジュールにおける受電コイル及び受電共振器に、四角形状及び四角柱型の筒状のコイルを使用した場合について説明したが、第三の実施例では、給電モジュールにおける給電コイル及び給電共振器、受電モジュールにおける受電コイル及び受電共振器に、図19に示すように三日月形状及び三日月型の筒状のコイルを使用した場合の無線電力伝送装置について説明する。具体的には、給電モジュールにおける給電共振器と受電モジュールにおける受電共振器とを対向配置し、給電共振器及び受電共振器のコイル内周面側にコイル内周面全体を覆う三日月型の筒状の磁性部材を配置した無線電力伝送装置1400と、磁性部材を配置しない無線電力伝送装置1300(以下第三比較例と呼ぶ)について、伝送特性『S21』及び送電効率を測定することにより説明する。
第三比較例で用いる無線電力伝送装置1300は、図19に示すように、三日月形状をした給電コイル1321と、三日月型の筒状コイル構造をした給電共振器1322とを備える給電モジュール1302、及び、三日月形状をした受電コイル1331と、三日月型の筒状コイル構造をした受電共振器1332とを備える受電モジュール1303とを備えている。そして、第一の実施例同様に、給電コイル1321にはネットワークアナライザ110の出力端子111が接続され、受電コイル1331には、ネットワークアナライザ110の入力端子112が接続されている。
第三実施例で用いる無線電力伝送装置1400は、図20に示すように、三日月形状をした給電コイル1421と、三日月型の筒状コイル構造をした給電共振器1422と、給電共振器1422のコイル内周面全体を覆う三日月型の筒状の磁性部材1423とを備える給電モジュール1402、及び、三日月形状をした受電コイル1431と、三日月型の筒状コイル構造をした受電共振器1432と、受電共振器1432のコイル内周面全体を覆う三日月型の筒状の磁性部材1433とを備える受電モジュール1403、を備えている。そして、第三比較例同様に、給電コイル1421にはネットワークアナライザ110の出力端子111が接続され、受電コイル1431には、ネットワークアナライザ110の入力端子112が接続されている。
第三比較例に係る無線電力伝送装置1300を使用して測定した伝送特性『S21』の測定結果、及び、第三実施例に係る無線電力伝送装置1400を使用して測定した伝送特性『S21』の測定結果について説明する。
第一の実施例の無線電力伝送装置200、300、400では、給電モジュールにおける給電コイル及び給電共振器、受電モジュールにおける受電コイル及び受電共振器に、コイル径を100mmφに設定した同径のものを使用した場合について説明したが、第四の実施例では、給電モジュールにおける給電コイル及び給電共振器、受電モジュールにおける受電コイル及び受電共振器に、図23に示すように、コイル径が異なるものを使用した場合の無線電力伝送装置について説明する。具体的には、受電モジュールにおける受電コイル及び受電共振器のコイル径が、給電モジュールにおける給電コイル及び給電共振器のコイル径よりも小さくしたものを使用する。そして、給電モジュールにおける給電共振器と受電モジュールにおける受電共振器とを対向配置し、給電共振器及び受電共振器のコイル内周面側にコイル内周面全体を覆う円筒状の磁性部材を配置した無線電力伝送装置1600と、磁性部材を配置しない無線電力伝送装置1500(以下第四比較例と呼ぶ)について、伝送特性『S21』及び送電効率を測定することにより説明する。
第四比較例で用いる無線電力伝送装置1500は、図23に示すように、円形状をした給電コイル1521と、円筒形状をした給電共振器1522とを備える給電モジュール1502、及び、円形状をした受電コイル1531と、円筒形状をした受電共振器1532とを備える受電モジュール1503とを備えている。そして、第一の実施例同様に、給電コイル1521にはネットワークアナライザ110の出力端子111が接続され、受電コイル1531には、ネットワークアナライザ110の入力端子112が接続されている。
第四実施例で用いる無線電力伝送装置1600は、図24の断面図に示すように、円形状をした給電コイル1621と、円筒形状をした給電共振器1622と、給電共振器1622のコイル内周面全体を覆う円筒状の磁性部材1623とを備える給電モジュール1602、及び、円形状をした受電コイル1631と、円筒形状をした受電共振器1632と、受電共振器1632のコイル内周面全体を覆う円筒状の磁性部材1633とを備える受電モジュール1603とを備えている。そして、第四比較例同様に、給電コイル1621にはネットワークアナライザ110の出力端子111が接続され、受電コイル1631には、ネットワークアナライザ110の入力端子112が接続されている。なお、第四実施例では、給電共振器1622のコイル内周面全体を覆う円筒状の磁性部材1623の径を変えた3つのモデル(モデルA1、モデルA2、モデルA3:詳細は後述する)を使用して測定する。
第四比較例に係る無線電力伝送装置1500を使用して測定した伝送特性『S21』の測定結果、及び、第四実施例に係る無線電力伝送装置1600を使用して測定した伝送特性『S21』の測定結果について説明する。
上記の無線電力伝送装置200等では、給電コイル21と給電共振器22との間の距離Aを15mmに設定し、受電コイル31と受電共振器32との間の距離Bを15mmに設定し、給電共振器22と受電共振器32との間の距離Cを30mmに設定した場合について説明したが(図2参照)、第五の実施例では、給電コイルと給電共振器との間の距離A、及び、受電コイルと受電共振器との間の距離Bを0mmに設定した場合、即ち、給電共振器の内周側に給電コイルを配置し、受電共振器の内周側に受電コイルを配置した場合の無線電力伝送装置について説明する。具体的には、給電共振器の内周側に給電コイルを配置し、更に、給電コイルの内周側に円筒状の磁性部材を配置した給電モジュール、及び、受電共振器の内周側に受電コイルを配置し、更に、受電コイルの内周側に円筒状の磁性部材を配置した受電モジュールを備えた無線電力伝送装置1800と、磁性部材を配置しない無線電力伝送装置1700(以下第五比較例と呼ぶ)について、伝送特性『S21』及び送電効率を測定することにより説明する。
第五比較例で用いる無線電力伝送装置1700は、図27に示すように、給電共振器1722の内周側に給電コイル1721を配置した給電モジュール1702、及び、受電共振器1732の内周側に受電コイル1731を配置した受電モジュール1703とを備えている。そして、第一の実施例同様に、給電コイル1721にはネットワークアナライザ110の出力端子111が接続され、受電コイル1731には、ネットワークアナライザ110の入力端子112が接続されている。
第五実施例で用いる無線電力伝送装置1800は、図28に示すように、給電共振器1822の内周側に給電コイル1821を配置し、更に、給電コイル1821の内周側に円筒状の磁性部材1823を配置した給電モジュール1802、及び、受電共振器1832の内周側に受電コイル1831を配置し、更に、受電コイル1831の内周側に円筒状の磁性部材1833を配置した受電モジュール1803を備えている。そして、第五比較例同様に、給電コイル1821にはネットワークアナライザ110の出力端子111が接続され、受電コイル1831には、ネットワークアナライザ110の入力端子112が接続されている。
第五比較例に係る無線電力伝送装置1700を使用して測定した伝送特性『S21』の測定結果、及び、第五実施例に係る無線電力伝送装置1800を使用して測定した伝送特性『S21』の測定結果について説明する。
次に、上記実施例で説明した無線電力伝送装置の活用例を実施形態として簡単に説明する。
22 給電共振器
23 磁性部材
31 受電コイル
32 受電共振器
33 磁性部材
110 ネットワークアナライザ
111 出力端子
112 入力端子
200 無線電力伝送装置
202 給電モジュール
203 受電モジュール
Claims (9)
- 給電モジュールから受電モジュールに対して共振現象によって磁界を変化させて電力伝送を行う無線電力伝送装置であって、
前記給電モジュールは、コイル状の給電共振器を備え、
前記受電モジュールは、コイル状の受電共振器を備え、
前記給電共振器及び前記受電共振器の少なくとも何れか一方が、自身のコイルの内周面の少なくとも一部を、送電効率を向上させるための距離を設けて覆う筒状の磁性部材を備え、
前記筒状の磁性部材の筒内部に、電子回路及び充電池の少なくとも一つが配置されていることを特徴とする無線電力伝送装置。 - 前記筒状の磁性部材は、コイルの内周面の全体を覆っていることを特徴とする請求項1に記載の無線電力伝送装置。
- 前記給電共振器及び前記受電共振器の少なくとも何れか一方が、自身のコイルの外周面の少なくとも一部を覆う磁性部材を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の無線電力伝送装置。
- 前記給電共振器及び前記受電共振器の少なくとも何れか一方が、自身のコイルの、前記給電共振器と前記受電共振器とが対向する面とは反対側の面を覆う磁性部材を備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
- 前記給電モジュールは、給電コイル及び前記給電共振器を備え、
前記受電モジュールは、受電コイル及び前記受電共振器を備え、
前記給電コイルに給電された電力を前記給電共振器に対して電磁誘導により給電し、前記給電共振器に給電された電力を前記給電共振器と前記受電共振器とを共振させることによって磁界エネルギーとして前記給電共振器から前記受電共振器に伝送し、前記受電共振器に伝送された電力を電磁誘導により前記受電コイルに給電することにより前記電力伝送を行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の無線電力伝送装置。 - 前記給電共振器から、前記受電共振器に対して、共振現象によって電力を供給し、
前記給電モジュール及び前記受電モジュールにおける、電力の周波数に対する伝送特性の値が、二つのピークを形成し、
前記給電モジュールに供給する電力の周波数を、前記伝送特性の二つのピークのうち高周波側に形成されるピーク付近の周波数に設定することを特徴とする請求項5に記載の無線電力伝送装置。 - 前記受電モジュールは、人が携帯しながら使用できる電子機器に搭載されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の無線電力伝送装置。
- 受電モジュールに対して共振現象による磁界の変化により電力伝送を行う給電装置であって、
コイル状の給電共振器を有する給電モジュールと、
前記給電共振器のコイルの内周面の少なくとも一部を、送電効率を向上させるための距離を設けて覆う筒状の磁性部材と、
前記筒状の磁性部材の筒内部に配置された、電子回路及び充電池の少なくとも一つと、
を備えていることを特徴とする給電装置。 - 給電モジュールから共振現象による磁界の変化により電力伝送される受電装置であって、
コイル状の受電共振器を有する受電モジュールと、
前記受電共振器のコイルの内周面の少なくとも一部を、送電効率を向上させるための距離を設けて覆う筒状の磁性部材と、
前記筒状の磁性部材の筒内部に配置された、電子回路及び充電池の少なくとも一つと、
を備えていることを特徴とする受電装置。
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