JP6265761B2 - Non-contact power supply system, power transmission device and power reception device - Google Patents
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Description
本発明は、非接触で電力を伝送する非接触給電システム、この非接触給電システムに組み込まれた送電装置および受電装置に関する。 The present invention relates to a non-contact power feeding system that transmits power in a non-contact manner, a power transmission device and a power receiving device incorporated in the non-contact power feeding system.
近年、給電方法として電源コードや給電ケーブルを用いないワイヤレス給電が注目されている。主な手法として、電磁誘導を用いた給電、電磁波を用いた給電、および共振(共鳴)を用いた給電の技術が知られている。 In recent years, wireless power feeding that does not use a power cord or a power feeding cable has attracted attention as a power feeding method. As main methods, a power feeding technique using electromagnetic induction, a power feeding using electromagnetic waves, and a power feeding technique using resonance (resonance) are known.
このうち、共振を用いた給電の技術は、一対の共振器を電磁場(近接場)において共振させ、電磁場を介して給電する非接触の給電技術であり、数kWの大電力を比較的長距離(たとえば数m)給電することも可能である。この方法では、共振器が特定周波数で共振することで、給電可能な状態となる。 Among these, the power feeding technology using resonance is a non-contact power feeding technology in which a pair of resonators are resonated in an electromagnetic field (near field) and fed through the electromagnetic field, and a large power of several kW is relatively long-distance. It is also possible to supply power (for example, several meters). In this method, the resonator is resonated at a specific frequency, so that power can be supplied.
例えば、特許文献1には、ワイヤレス給電装置と、それと共に使用する給電指示の伝送装置が記載されている。特許文献1に記載された伝送システムでは、給電指示の伝送装置が、磁界共振方式による電力給電によりリレーコイルを励磁し、リレー接点の開閉により、給電指示を行っている。
For example,
ここで、磁界共振方式による電力給電では、共振器間に金属のような高導電率の物体が介在すると共振条件がずれて給電が行われなくなるため、金属のような高導電率の物体の検知として用いることが可能であるが、人体のような誘電体、絶縁体の、検知には不向きである。 Here, in power feeding by the magnetic field resonance method, if a high conductivity object such as metal is interposed between the resonators, the resonance condition is shifted and power feeding is not performed, so detection of a high conductivity object such as metal is detected. However, it is not suitable for detection of dielectrics and insulators such as a human body.
例えば図15(A)に示すような、送電コイル501と受電コイル502との間で磁界共振して電力伝送を行う電力伝送システム500に対し、図15(B)に示すように、送電コイル501と受電コイル502との間に誘電体層503を挿入する。このような配置の下、伝送効率のシミュレーションを行い、その結果を図15に示す。図15(A)は、送電コイル501と受電コイル502のみ配置し誘電体層503がない場合の伝送効率を示し、設計した共振周波数において伝送効率がほぼ1となっている。一方で、図15(B)及び図15(C)は、送電コイル501と受電コイル502と間に誘電体層503を挿入した場合の伝送効率を示している。なお、図15(B)及び図15(C)は、誘電体層503の挿入する位置が異なる。
For example, for a
上記の図15(A)乃至図15(C)から明らかなように、いずれの場合においても、伝送効率がほぼ1となっており、誘電体層503の有無によって共振状態が変わることがない。
As apparent from FIGS. 15A to 15C described above, in any case, the transmission efficiency is almost 1, and the resonance state does not change depending on the presence or absence of the
このように誘電体層503の有無によって共振状態が変わることがないので、磁界共振で給電が行われている際、高周波で共振する磁界中に、誘電体層503とみなすことが可能な人体が侵入してしまった場合、人体は検知されずに共振給電され続ける。このため、人体は高周波の磁界中に曝されるのを防止する人感知センサが必要となる。人体の検知方法としては、従来から、赤外線センサ、光センサ、超音波センサなどが用いられてきた。しかしながら、これらのセンサは、常に検出動作し電力を消費し続けるだけでなく、微小な信号を検知しているため、外光や温度など周囲の条件により誤作動するなどの欠点がある。また、人感知センサが用いられる例として、玄関周りの防犯装置等が挙げられる。これらの装置は、事前に壁や天井等に配線をしておく必要があり、防犯装置の設置場所に限りがあり、後から簡単に防犯設備を増強することができないなど設置の観点で不便さがある。
Since the resonance state does not change depending on the presence or absence of the
本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、検出装置などを用いることなく、人体や動物などの誘電体とみなすことが可能な物体の存在を検知して非接触で電力伝送することが可能な非接触給電システム、この非接触給電システムが組み込まれた送電装置及び受電装置を提供することを目的とする。 The object of the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and detects the presence of an object that can be regarded as a dielectric such as a human body or an animal without using a detection device, etc. It is an object of the present invention to provide a non-contact power feeding system capable of transmitting, a power transmission device and a power receiving device incorporating the non-contact power feeding system.
(第1の態様)
本発明の第1の態様に係る非接触給電システムは、互いに離間して配置された第1および第2の送電電極と、当該第1および第2の送電電極の間に電気的に接続されたインダクタとを有する送電装置と、互いに離間して配置された第1および第2の受電電極と、当該第1および第2の受電電極の間に電気的に接続されたインダクタとを有し、共振周波数が送電装置の共振周波数と一致することにより電界共振結合して給電可能となる受電装置と、を備え、誘電体が所定の位置に存在するか否かによって給電状態が変化するように、送電装置および受電装置の共振特性が調整されていることを特徴とする。
(First aspect)
The non-contact power feeding system according to the first aspect of the present invention is electrically connected between the first and second power transmission electrodes and the first and second power transmission electrodes arranged apart from each other. A power transmission device having an inductor, first and second power receiving electrodes that are spaced apart from each other, and an inductor that is electrically connected between the first and second power receiving electrodes. A power receiving device that can be fed by electric field resonance coupling when the frequency matches the resonance frequency of the power transmitting device, and the power feeding state changes depending on whether or not the dielectric exists at a predetermined position. The resonance characteristics of the device and the power receiving device are adjusted.
上記第1の態様によれば、誘電体が、例えば送電装置又は受電装置に近接した所定の位置に存在すると、送電装置及び受電装置の共振特性が変化して給電状態が変化する。 According to the first aspect, when the dielectric is present at a predetermined position near the power transmission device or the power reception device, for example, the resonance characteristics of the power transmission device and the power reception device are changed, and the power supply state is changed.
例えば、送電装置又は受電装置の付近に誘電体が存在しない状態で電界共振結合するように設計すれば、送電装置又は受電装置に誘電体が接近した時に共振条件がずれて、給電から無給電状態に変化する。また、送電装置又は受電装置の付近に誘電体が存在する状態で電界共振結合するように設計すれば、誘電体が存在しないときは無給電状態であり、所定の位置に誘電体が移動すれば給電状態へと変化する。 For example, if the electric field resonance coupling is designed in the absence of a dielectric in the vicinity of the power transmission device or the power reception device, the resonance condition shifts when the dielectric approaches the power transmission device or the power reception device, and the power supply is not fed. To change. In addition, if it is designed so that electric field resonance coupling is performed in the presence of a dielectric in the vicinity of the power transmission device or the power receiving device, it is in a non-powered state when there is no dielectric, and the dielectric moves to a predetermined position. It changes to the power supply state.
このようにして、上記第1の態様によれば、送電装置及び受電装置以外に検出装置などを用いることなく、誘電体が所定の位置に存在することで、非接触で電力伝送を停止したり、逆に非接触で電力伝送を開始したりすることが可能である。 Thus, according to the first aspect, the power transmission device and the power receiving device can be used to stop power transmission in a non-contact manner without using a detection device or the like and the dielectric is in a predetermined position. On the contrary, it is possible to start power transmission without contact.
例えば、非接触で電力伝送する方式として、電界共振結合以外にも磁界共振方式があるが、磁界共振方式では送受間の結合に磁場の共振を用いており、金属のような高導電率の物体に対しては誘導加熱が生じる。これに対し、電界共振結合方式は、電界中に金属が存在しても、誘導加熱のような加熱が発生しないので、電力消費が発生せず省電力化を実現することができる。 For example, there is a magnetic field resonance method other than electric field resonance coupling as a non-contact power transmission method, but the magnetic field resonance method uses magnetic field resonance for coupling between transmission and reception, and has a high conductivity object such as metal. Induction heating occurs. On the other hand, in the electric field resonance coupling method, even if a metal is present in the electric field, heating such as induction heating does not occur, so that power consumption does not occur and power saving can be realized.
また、上記第1の態様によれば、電界共振結合が起こらない場合では、送電電極から受電電極への電力の伝送が行われないため、交流電源からの電力供給が行われず、不要な電力の消費を防止することができる。 In addition, according to the first aspect, when electric field resonance coupling does not occur, power is not transmitted from the power transmission electrode to the power reception electrode, so that power supply from the AC power source is not performed, and unnecessary power is not generated. Consumption can be prevented.
以上のようにして、上記第1の態様によれば、人体や動物などの移動体を検知して非接触で電力伝送することが可能となる。 As described above, according to the first aspect, it is possible to detect a moving body such as a human body or an animal and transmit power without contact.
(第2の態様)
本発明の第2の態様に係る非接触給電システムは、上記第1の態様において、第1および第2の送電電極の間に発生する電界の方向と、第1および第2の受電電極の間に発生する電界の方向とが略平行となるように、各電極が配置されていることを特徴とする。上記第2の態様によれば、高効率で電力を伝送することが可能となる。
(Second aspect)
A contactless power feeding system according to a second aspect of the present invention is the contactless power feeding system according to the first aspect, wherein the direction of the electric field generated between the first and second power transmission electrodes and the first and second power reception electrodes are the same. Each electrode is arranged so that the direction of the electric field generated in the first and second electrodes is substantially parallel. According to the second aspect, power can be transmitted with high efficiency.
(第3の態様)
本発明の第3の態様に係る非接触給電システムは、上記第1および第2の態様において、第1および第2の受電電極は、それぞれ第1および第2の送電電極と対向する位置に配置されていることを特徴とする。上記第3の態様によれば、高効率で電力を伝送することが可能となる。
(Third aspect)
In the non-contact power feeding system according to the third aspect of the present invention, in the first and second aspects, the first and second power receiving electrodes are disposed at positions facing the first and second power transmitting electrodes, respectively. It is characterized by being. According to the third aspect, power can be transmitted with high efficiency.
(第4の態様)
本発明の第4の態様に係る非接触給電システムは、上記第1および第2の態様において、第1および第2の受電電極は、それぞれ第1および第2の送電電極が配置された面に対して垂直な面に配置されていることを特徴とする。上記第4の態様によれば、高効率で電力を伝送することが可能となる。
(Fourth aspect)
In the non-contact power feeding system according to the fourth aspect of the present invention, in the first and second aspects, the first and second power receiving electrodes are respectively disposed on surfaces on which the first and second power transmitting electrodes are disposed. It is arranged on a plane perpendicular to the above. According to the fourth aspect, power can be transmitted with high efficiency.
(第5の態様)
本発明の第5の態様に係る非接触給電システムは、上記第1および第2の態様において、第1および第2の受電電極は、それぞれ第1および第2の送電電極と同一平面上の位置に配置されていることを特徴とする。上記第5の態様によれば、高効率で電力を伝送することが可能となる。
(5th aspect)
In the contactless power feeding system according to the fifth aspect of the present invention, in the first and second aspects, the first and second power receiving electrodes are positioned on the same plane as the first and second power transmitting electrodes, respectively. It is characterized by being arranged in. According to the fifth aspect, power can be transmitted with high efficiency.
(第6の態様)
本発明の第6の態様に係る非接触給電システムは、上記第1乃至第5の態様において、第1および第2の受電電極は、その表面積が第1および第2の送電電極の表面面積より大きいことを特徴とする。上記第6の態様によれば、電極の表面面積を調整することで、送電装置および受電装置の共振特性を調整することができる。したがって、非接触給電システムに係る設計の自由度を高めることができる。
(Sixth aspect)
In the contactless power feeding system according to the sixth aspect of the present invention, in the first to fifth aspects, the first and second power receiving electrodes have a surface area greater than the surface area of the first and second power transmitting electrodes. It is large. According to the sixth aspect, the resonance characteristics of the power transmission device and the power reception device can be adjusted by adjusting the surface area of the electrodes. Therefore, the degree of freedom of design related to the non-contact power feeding system can be increased.
(第7の態様)
本発明の第7の態様に係る非接触給電システムは、上記第1乃至第5の態様において、第1および第2の受電電極は、その表面積が第1および第2の受電電極の表面面積より小さいことを特徴とする。上記第7の態様によれば、電極の表面面積を調整することで、送電装置および受電装置の共振特性を調整することができる。したがって、非接触給電システムに係る設計の自由度を高めることができる。
(Seventh aspect)
In the contactless power feeding system according to the seventh aspect of the present invention, in the first to fifth aspects, the first and second power receiving electrodes have a surface area greater than the surface area of the first and second power receiving electrodes. It is small. According to the seventh aspect, the resonance characteristics of the power transmission device and the power reception device can be adjusted by adjusting the surface area of the electrodes. Therefore, the degree of freedom of design related to the non-contact power feeding system can be increased.
(第8の態様)
本発明の第8の態様に係る非接触給電システムは、上記第1乃至第7の態様において、受電装置を複数備え、誘電体が、受電装置ごとに対応する所定の位置に存在するか否かによって、給電状態が当該受電装置ごとに変化するように、当該受電装置の共振特性が調整されていることを特徴とする。
(Eighth aspect)
A contactless power feeding system according to an eighth aspect of the present invention includes the plurality of power receiving devices according to the first to seventh aspects, and whether or not the dielectric exists in a predetermined position corresponding to each power receiving device. Therefore, the resonance characteristic of the power receiving device is adjusted so that the power supply state changes for each power receiving device.
上記第8の態様によれば、受電装置ごとに給電状態が変化するため、スイッチ装置として用いる場合の利便性を向上させることができる。 According to the eighth aspect, since the power supply state changes for each power receiving device, the convenience when used as a switch device can be improved.
(他の態様)
また、以上のような本発明は、上記非接触給電システムの態様に限らず、他の態様、すなわち非接触給電システムに組み込まれる送電装置および受電装置によって実現することも可能である。
(Other aspects)
Further, the present invention as described above is not limited to the above-described aspect of the non-contact power supply system, but can be realized by other aspects, that is, a power transmission device and a power reception device incorporated in the non-contact power supply system.
本発明によれば、検出装置などを用いることなく、人体や動物などの誘電体とみなすことが可能な物体の存在を検知して非接触で電力伝送することができる。 According to the present invention, it is possible to detect the presence of an object that can be regarded as a dielectric such as a human body or an animal and transmit power without contact without using a detection device or the like.
本発明を実施するための形態(以下、本実施形態という。)について具体例を示して説明する。本実施形態は、非接触で電力を伝送する非接触給電システムに関する。 A mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as the present embodiment) will be described with a specific example. The present embodiment relates to a non-contact power feeding system that transmits power in a non-contact manner.
(1)全体構成
第1の実施形態の非接触給電システム1aは、図1(A)に示すように、送電装置10と受電装置20とから構成される。送電装置10は、図1(A)の三次元直交座標XYZのYZ平面上に配置された送電電極11、12と、送電電極11、12にそれぞれ電気的に接続されたインダクタ13、14と、インダクタ13、14を介して送電電極11、12と電気的に接続された交流電力発生部17とを備える。送電装置10から電力を受電する受電装置20は、図1(A)に示すように送電電極11、12とそれぞれ対向する位置に配置された受電電極21、22と、受電電極21、22にそれぞれ電気的に接続されたインダクタ23、24と、インダクタ23、24を介して電気的に接続された負荷27とを備える。
(1) Overall Configuration The non-contact power feeding system 1a of the first embodiment includes a
このような構成からなる非接触給電システム1aでは、具体的には後述するようにして、送電装置10及び受電装置20により構成される共振回路の回路特性が調整されることで、例えば、図1(B)に示すようなY軸方向に移動可能な人体100が所定の位置、例えば送電電極11、12と受電電極21、22との間に存在するか否かによって、給電状態を変化することができる。
In the non-contact power feeding system 1a having such a configuration, the circuit characteristics of the resonance circuit constituted by the
(2)非接触給電について
次に、送電電極11、12間で発生する電界と、受電電極21、22間で発生する電界とが電界結合することで可能となる非接触給電の動作原理について、図2を参照して説明する。図2は、送電装置10および受電装置20の回路構成を示す図である。
(2) About non-contact power supply Next, regarding the operation principle of non-contact power supply that is possible by electric field coupling between the electric field generated between the
送電装置10は、送電電極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、受電電極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。ここで、送電電極11、12およびインダクタ13、14は送電用カプラを構成する。受電電極21、22およびインダクタ23、24は受電用カプラを構成する。
The
ここで、送電電極11、12、受電電極21、22は、導電性を有する部材によって構成され、互いに離間して配置された電極であって、図2の例では所定の距離d1を隔てて配置されている。送電電極11、12および受電電極21、22は、導電性を有する部材によって構成され互いに離間して配置された電極であれば、電極形状が必ずしも矩形である必要はなく、円形、多角形等であってもよい。図2の例では、便宜上、送電電極11、12、受電電極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を例示している。また、送電電極11と受電電極21は距離d2を隔てて対向するように平行に配置され、送電電極12と受電電極22も、互いに離間して配置された電極であって、図2の例では同じ距離d2を隔てて対向するように平行に配置されている。
Here, the
送電電極11、12の電極間の距離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、受電電極21、22の電極間の距離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、送電電極11、12の長さL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。受電電極21、22の長さLも、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。送電電極11と受電電極21および送電電極12と受電電極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 electrodes of the
このように送電電極11、12の長手方向の電極長Lが、λ/2πで示される近傍界よりも狭くなるように設定することで、受電電極21、22に効率良く電力を伝送することができる。
Thus, by setting the electrode length L in the longitudinal direction of the
インダクタ13、14は、例えば、導電性の線材(例えば、被覆銅線)を巻回して構成され、図2の例では、送電電極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)を含む。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
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
インダクタ23、24は、例えば、導電性の線材(例えば、被覆銅線)を巻回して構成され、図2の例では、受電電極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)を含む。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。
The
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。本実施形態では、負荷27の具体例として、給電状態となることで照明可能な照明装置であるものとして説明する。
The
図3は、図2に示す送電装置10および受電装置20の等価回路300を示す図である。この図3において、インピーダンス2は、接続線15、16および接続線25、26の特性インピーダンスを示し、Z0の値を有している。インダクタ3はインダクタ13、14に対応し、Lの素子値を有している。キャパシタ4は、送電電極11、12の間に生じる素子値Cのキャパシタから、送電電極11、12と受電電極21、22の間に生じる素子値Cmのキャパシタを減じた素子値(C−Cm)を有する。キャパシタ5は、送電電極11、12と受電電極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。キャパシタ6は、受電電極21、22の間に生じる素子値Cのキャパシタから、送電電極11、12と受電電極21、22の間に生じる素子値Cmのキャパシタを減じた素子値(C−Cm)を有する。インダクタ7はインダクタ23、24に対応し、Lの素子値を有している。
FIG. 3 is a diagram illustrating an
以上のような等価回路300では、送電装置10により構成される送電カプラの共振周波数と、受電装置20により構成される受電カプラの共振周波数とが一致することにより電界共振結合し、送電装置10から受電装置20に交流電力が給電可能となる。
In the
(3)共振周波数
図3に示した等価回路300から明らかなように、非接触給電システム1では、インダクタ3、7とキャパシタ4、5、6の電気的特性により送電カプラ及び受電カプラの共振特性が変化する。例えば図4(A)に示すような送電電極11、12と受電電極21、22とが対向するように配置された電極間に、図4(B)に示すような誘電体200を挿入すると、キャパシタ5、6の電気的特性すなわち静電容量が変化して、送電カプラ及び受電カプラの共振特性が変化する。
(3) Resonance frequency As is apparent from the
例えば、図5(A)は、図4(A)に示すように電極間に誘電体200を配置することなく、送電カプラの共振周波数と受電カプラとの共振周波数とを一致させた条件下でシミュレーションしたときの、電力伝送効率の周波数特性を示す図である。また、図5(B)は、図4(A)に示すように電極間に誘電体200を配置することなく、送電カプラの共振周波数に対して受電カプラの共振周波数をずらした条件下でシミュレーションしたときの、電力伝送効率の周波数特性を示す図である。さらに、図5(C)は、図4(B)に示すように電極間に誘電体200を配置し、送電カプラの共振周波数と受電カプラとの共振周波数とを一致させた条件下でシミュレーションしたときの、電力伝送効率の周波数特性を示す図である。 For example, FIG. 5A shows a condition in which the resonance frequency of the power transmission coupler and the resonance frequency of the power reception coupler are matched with each other without disposing the dielectric 200 between the electrodes as shown in FIG. It is a figure which shows the frequency characteristic of electric power transmission efficiency at the time of simulation. Further, FIG. 5B shows a simulation under the condition that the resonance frequency of the power receiving coupler is shifted from the resonance frequency of the power transmission coupler without disposing the dielectric 200 between the electrodes as shown in FIG. 4A. It is a figure which shows the frequency characteristic of electric power transmission efficiency when doing. Further, FIG. 5C is a simulation under the condition in which the dielectric 200 is disposed between the electrodes as shown in FIG. 4B and the resonance frequency of the power transmission coupler and the resonance frequency of the power reception coupler are matched. It is a figure which shows the frequency characteristic of power transmission efficiency at the time.
図5(A)〜図5(C)から明らかなように、誘電体200の存在の有無に応じて電力伝送効率が変化するので、誘電体200の存在の有無は、給電状態と無給電状態とが変化するスイッチとして機能することが可能である。 As is clear from FIGS. 5A to 5C, the power transmission efficiency varies depending on the presence or absence of the dielectric 200. Therefore, the presence or absence of the dielectric 200 depends on the power supply state and the non-power supply state. It is possible to function as a switch that changes.
また、図6(A)、図6(B)及び図6(C)は、それぞれ誘電体200の代わりに人体100の筋肉の誘電率を模擬し、筋肉を図4(B)に示すように電極間の異なる位置に配置した条件下でシミュレーションしたときの、電力伝送効率の周波数特性を示す図である。また、図7に、図6(A)、図6(B)及び図6(C)のシミュレーション結果のうち、周波数帯が27.0MHzにおける伝送効率の推移を示している。
6 (A), 6 (B), and 6 (C) each simulate the dielectric constant of the muscle of the
図7から明らかなように、特定の位置、すなわち図6(B)のシミュレーション結果に対応する位置に、人体100の筋肉を挿入したとき伝送効率が大きく変化するので、誘電体200と同様、人体100の存在の有無は、給電状態と無給電状態とが変化するスイッチとして機能することが可能である。
As is clear from FIG. 7, since the transmission efficiency changes greatly when the muscle of the
(4)第1の実施形態
上述した誘電体200および人体100の有無によって変動する共振特性を利用することで、上述した図1に示すような第1の実施形態に係る非接触給電システム1aでは、給電状態が変化するように回路特性を調整する。具体例として、非接触給電システム1aでは、図8(A)に示すような送電電極11、12と受電電極21、22との間であって、送電電極11、12に対して受電電極21、22に近接した領域Area1に人体100が存在するか否かにより、給電状態が変化するように回路特性を調整する。
(4) First Embodiment In the non-contact power feeding system 1a according to the first embodiment as shown in FIG. 1 described above, the resonance characteristics that vary depending on the presence or absence of the dielectric 200 and the
まず、非接触給電システム1aでは、図8(B)に示すように、人体100に対応した誘電体200が領域Area1に存在するものとみなすことができ、さらに図8(B)に示す回路を図8(C)に示すような等価回路に置き換えることができる。
First, in the non-contact power feeding system 1a, as shown in FIG. 8B, it can be considered that the dielectric 200 corresponding to the
図8(C)は、上述した図3に示した等価回路300に対応する等価回路300aであって、便宜上キャパシタ5を省略した回路構成を示している。図8(B)に示すように、Area1に誘電体200が存在することで、キャパシタ4、6のそれぞれに誘電体201、202が挿入され、キャパシタ4、6の静電容量が増大することとなる。ここで、誘電体200が送電電極11、12に対して受電電極21、22の近くに挿入されるため、誘電体201の方が誘電体202よりも厚みがあり、キャパシタ4に対してキャパシタ6の静電容量の方が大きくなる。
FIG. 8C shows an equivalent circuit 300a corresponding to the
したがって、キャパシタ4、6に誘電体201、202が挿入された状態で、送電カプラと受電カプラとの間で共振周波数が一致するように、インダクタ3、7とキャパシタ4、5、6との電気特性を調整することによって、非接触給電システム1aは、人体100が領域Area1に存在するとき無給電状態から給電状態に変化することができる。逆に、キャパシタ4、6に誘電体201、202が挿入されていない状態で、送電カプラと受電カプラとの間で共振周波数が一致するように、インダクタ3、7とキャパシタ4、5、6との電気特性を調整することによって、非接触給電システム1aは、人体100が領域Area1に存在するとき共振周波数がずれて給電状態から無給電状態に変化することができる。
Therefore, in the state where the
以上のように、非接触給電システム1aは、送電装置10及び受電装置20以外に検出装置などを用いることなく、誘電体200が所定の位置に存在することで、非接触で電力伝送を停止したり、逆に非接触で電力伝送を開始したりすることが可能である。
As described above, the non-contact power feeding system 1a stops the power transmission in a non-contact manner without using a detection device or the like in addition to the
ここで、非接触で電力伝送する方式として電界共振方式以外にも磁界共振方式があるが、磁界共振方式では送受間の結合に磁場の共振を用いており、金属のような高導電率の物体に対しては誘導加熱が生じる。これに対し、非接触給電システム1aが用いる電界共振結合方式は、電界中に金属が存在しても、誘導加熱のような加熱が発生しないので、電力消費が発生せず省電力化を実現することができる。 In addition to the electric field resonance method, there is a magnetic field resonance method as a non-contact power transmission method. However, the magnetic field resonance method uses magnetic field resonance for coupling between transmission and reception, and has a high conductivity object such as metal. Induction heating occurs. On the other hand, the electric field resonance coupling method used by the non-contact power feeding system 1a does not generate heating such as induction heating even when a metal is present in the electric field. be able to.
また、非接触給電システム1aは、電界共振結合が起こらない場合では、送電電極11、12から受電電極21、22への電力の伝送が行われないため、交流電源からの電力供給が行われず、不要な電力の消費を防止することができる。
In the non-contact power feeding system 1a, when electric field resonance coupling does not occur, power is not transmitted from the
このように、非接触給電システム1aは、検出装置などを用いることなく、人体100や動物などの誘電体とみなすことが可能な物体の存在を検知して非接触で電力伝送することができる。このため、例えば人体100が領域Area1に位置すると、負荷27に給電され照明装置が動作させることが可能である。
In this way, the non-contact power feeding system 1a can detect the presence of an object that can be regarded as a dielectric such as the
なお、送電電極11、12の間に発生する電界の方向E1と、受電電極21、22の間に発生する電界の方向E2とが垂直にならなければ電界結合が可能であるが、図1及び図6に示すように送電電極11、12の間に発生する電界の方向E1と、受電電極21、22の間に発生する電界の方向E2とが平行となるように各電極を配置することによって、電界結合の結合強度を高めることができ、結果として電力を高効率で伝送することが可能となる点で特に好ましい。
Note that electric field coupling is possible if the direction E1 of the electric field generated between the
(5)第2の実施形態
また、第1の実施形態では、送電電極11、12と受電電極21、22との間の領域Area1に人体100が存在するときに、給電状態が変化するものと説明したが、これに限定されるものではない。例えば第2の実施形態に係る非接触給電システム1bは、例えば図9(A)に示すような送電電極11、12と受電電極21、22と電極間の外部であって、受電電極21、22のみに近接した領域Area2に人体100が存在するか否かにより、給電状態が変化するように回路特性を調整することができる。
(5) 2nd Embodiment Moreover, in 1st Embodiment, when the
まず、第2の実施形態に係る非接触給電システム1bでは、図9(B)に示すように、人体100に対応した誘電体200が領域Area2に存在するものとみなし、さらに図9(C)に示すような等価回路に置き換えることができる。
First, in the non-contact power feeding system 1b according to the second embodiment, as shown in FIG. 9B, it is assumed that the dielectric 200 corresponding to the
図9(C)は、上述した図3に示した等価回路300に対応する等価回路300bであって、便宜上キャパシタ5を省略した回路構成を示している。この図9(C)から明らかなように、Area2に誘電体200が存在することで、キャパシタ6に誘電体203が挿入されたものとみなせる。このようにキャパシタ6に誘電体203が挿入されることで、キャパシタ6の静電容量が増大したものとみなすことが可能である。
FIG. 9C shows an equivalent circuit 300b corresponding to the
したがって、キャパシタ6に誘電体203が挿入された状態で、送電カプラと受電カプラとの間で共振周波数が一致するように、インダクタ3、7とキャパシタ4、5、6との電気特性を調整することによって、非接触給電システム1bは、人体100が領域Area2に存在するとき無給電状態から給電状態に変化することができる。また、キャパシタ6に誘電体203が挿入されていない状態で、送電カプラと受電カプラとの間で共振周波数が一致するように、インダクタ3、7とキャパシタ4、5、6との電気特性を調整することによって、非接触給電システム1bは、人体100が領域Area2に存在するとき給電状態から無給電状態に変化することができる。
Therefore, the electrical characteristics of the
(6)他の実施形態について
また、本実施形態に係る非接触給電システムは、送電電極11、12と受電電極21、22とが対向する配置に限定されず、次に示すような他の形態を採用することが可能である。
(6) Other Embodiments Further, the non-contact power feeding system according to the present embodiment is not limited to the arrangement in which the
例えば、図10(A)に示す非接触給電システム1cのように、送電電極11、12をXY平面上に配置し、受電電極21、22をZY平面上に配置してもよい。このように送電電極11、12に対して受電電極21、22を垂直な位置に配置しても、例えば図10(B)に示すように、人体100が所定の領域に存在するか否かによって、給電状態が変化し、高効率で電力伝送することができる。なお、図10(A)及び図10(B)に示す例では、人体100の足下すなわち、床下部分に送電電極11、12が配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、図10(C)に示すように、ZY平面上に送電電極11、12を配置し、XY平面上であって人体100の頭上すなわち天井部分に受電電極21、12を配置することも可能である。
For example, as in the non-contact
また、図11(A)に示す非接触給電システム1dのように、送電電極11、12と受電電極21、22とを同一平面上すなわち、YZ平面上に配置してもよい。このように送電電極11、12と受電電極21、22とを同一平面上に配置しても、例えば図11(B)に示すように、人体100が所定の領域に存在するか否かによって、給電状態が変化して、高効率で電力伝送することができる。
Moreover, you may arrange | position the
また、送電電極11、12と受電電極21、22の寸法が必ずしも一致させることなく、例えば図12(A)及び図12(B)に示す非接触給電システム1eのように、受電電極11、12の表面積を、送電電極21、22の表面面積と比べて小さくなるようにしてもよい。図12(A)に示す例では、送電電極11、12が配置されたYZ平面に対して受電電極21、22を垂直なXY平面に配置しており、図12(B)に示す例では、送電電極11、12と受電電極21、22とを同一のYZ平面上に配置している。このようにして電極の表面面積を調整することで、送電装置10および受電装置20の共振特性を調整することができ、結果として非接触給電システム1eに係る設計の自由度を高めることができる。
Further, the dimensions of the
また、図13(A)及び図13(B)に示す非接触給電システム1fのように、複数の受電装置20a、20bを備え、人体100が所定の位置に存在するか否かによって、給電状態が受電装置20a、20bごとに変化するように、共振特性を調整してもよい。
Further, as in the non-contact power feeding system 1f shown in FIGS. 13A and 13B, the power feeding state is provided depending on whether or not the
例えば、図13(A)に示す例では、領域Area3aに人体100が存在することによって、受電装置20aのみ無給電状態から給電状態に変化し、領域Area3bに人体100が存在することによって、受電装置20bのみ無給電状態から給電状態に変化するように、非接触給電システムに係る共振特性が調整されている。
For example, in the example shown in FIG. 13A, when the
また、図13(B)に示す例では、領域Area4に人体100が存在することによって、受電装置20a、20bの両方とも、無給電状態から給電状態に変化するように、非接触給電システムに係る共振特性が調整されている。
Further, in the example illustrated in FIG. 13B, since the
このように図13(A)及び図13(B)に示す例では、受電装置ごとに給電状態と無給電状態とが変化するため、スイッチ装置として用いる場合の利便性を向上させることができる。 As described above, in the example illustrated in FIGS. 13A and 13B, the power supply state and the non-power supply state change for each power receiving device, so that the convenience when used as a switch device can be improved.
また、図14(A)及び図14(B)に示す非接触給電システム1gのように、受電電極11、12の表面積が、送電電極21、22の表面面積より大きくなるようにしてもよい。図14(A)に示す例では、送電電極11、12が配置されたXY平面に対して受電電極21、22を垂直なYZ平面に配置しており、図14(B)に示す例では、送電電極11、12と受電電極21、22とを同一のYZ平面上に配置している。このようにして電極の表面面積を調整することで、送電装置10および受電装置20の共振特性を調整することができ、結果として非接触給電システム1gに係る設計の自由度を高めることができる。
Moreover, you may make it the surface area of the receiving
なお、本実施形態に係る非接触給電システムでは、人体100が所定の位置に存在するか否かによって給電状態が変化するものとして説明したが、人体に限らず、例えば非金属などの誘電体とみなせるものであれば、いかなるものであってもよいことはもちろんである。また、化粧材や建材も誘電体とみなせるため、電極が化粧材や建材によりカバーされた場合においてもその誘電率を考慮し設計することで共振状態を調節することが可能である。
In the contactless power supply system according to the present embodiment, the power supply state has been described depending on whether or not the
1a−1f 非接触給電システム
10 送電装置
11、12 送電電極
13、14、23、24 インダクタ
20 受電装置
21、22 受電電極
100 人体
200 誘電体
1a-1f Non-contact
Claims (11)
互いに離間して配置された第1および第2の受電電極と、当該第1および第2の受電電極の間に電気的に接続されたインダクタとを有し、共振周波数が前記送電装置の共振周波数と一致することにより、前記第1および第2の送電電極間の電界と前記第1および第2の受電電極間の電界とが電界共振結合して給電可能となる受電装置と、を備え、
前記第1および第2の送電電極と前記第1および第2の受電電極の少なくとも一方に近接するとともに、前記第1および第2の送電電極からの距離と前記第1および第2の受電電極からの距離とがそれぞれ異なる所定の領域に誘電体が存在しない場合には前記送電装置の共振周波数と前記受電装置の共振周波数とが一致せず、前記所定の領域に前記誘電体が存在する場合に前記送電装置の共振周波数と前記受電装置の共振周波数とが一致して給電を開始するように、前記送電装置および前記受電装置の共振特性が調整され、
前記誘電体は、人体または動物である、
ことを特徴とする非接触給電システム。 A power transmission device having first and second power transmission electrodes arranged apart from each other, and an inductor electrically connected between the first and second power transmission electrodes;
The first and second power receiving electrodes arranged apart from each other, and an inductor electrically connected between the first and second power receiving electrodes, the resonance frequency of which is the resonance frequency of the power transmission device A power receiving device that can feed power by electric field resonance coupling between the electric field between the first and second power transmitting electrodes and the electric field between the first and second power receiving electrodes,
While being close to at least one of the first and second power transmission electrodes and the first and second power reception electrodes, the distance from the first and second power transmission electrodes and from the first and second power reception electrodes When the dielectric does not exist in the predetermined regions different from each other, the resonance frequency of the power transmission device does not match the resonance frequency of the power reception device, and the dielectric exists in the predetermined region. Resonance characteristics of the power transmission device and the power reception device are adjusted so that the resonance frequency of the power transmission device matches the resonance frequency of the power reception device to start feeding ,
The dielectric is a human body or an animal,
A non-contact power feeding system characterized by that.
前記第1および第2の送電電極と前記第1および第2受電電極との間の空間に誘電体が存在する場合に前記送電装置の共振周波数と前記受電装置の共振周波数とが一致して給電を開始するように、前記送電装置および前記受電装置の共振特性が調整されている
ことを特徴とする請求項1に記載の非接触給電システム。 The first and second power transmission electrodes and the first and second power reception electrodes are spaced apart from each other,
Space resonance frequency and is matched to the feed of the power receiving device and a resonance frequency of the power transmitting device when the dielectric is present between the said first and second power transmitting electrode first and second receiving electrode to start, the contactless power supply system of claim 1, the resonance characteristics of the power transmission device and the power receiving device is characterized in that it is adjusted.
前記誘電体が所定の位置に存在するか否かによって、給電状態が前記受電装置ごとに変化するように、当該受電装置の共振特性が調整されていることを特徴とする請求項1乃至8の何れか1項に記載の非接触給電システム。 A plurality of the power receiving devices;
9. The resonance characteristic of the power receiving device is adjusted so that a power feeding state changes for each power receiving device depending on whether or not the dielectric is present at a predetermined position. The non-contact electric power feeding system of any one of Claims.
前記第1および第2の送電電極の間に電気的に接続されたインダクタと、を備え、
共振周波数が、第1及び第2の受電電極と当該第1および第2の受電電極間に電気的に接続されたインダクタとを備える受電装置の共振周波数と一致することにより、前記第1および第2の送電電極間の電界と前記第1および第2の受電電極間の電界とが電界共振結合して給電可能となり、
前記第1および第2の送電電極に近接するとともに、前記第1および第2の送電電極からの距離と前記第1および第2の受電電極からの距離とがそれぞれ異なる所定の領域に誘電体が存在しない場合に、前記送電装置の共振周波数と前記受電装置の共振周波数とが一致せず、前記所定の領域に前記誘電体が存在する場合に、前記送電装置の共振周波数と前記受電装置の共振周波数とが一致して給電を開始するように、共振特性が調整され、
前記誘電体は、人体または動物である、
ことを特徴とする送電装置。 First and second power transmission electrodes that are spaced apart from each other;
An inductor electrically connected between the first and second power transmission electrodes;
When the resonance frequency matches the resonance frequency of the power receiving device including the first and second power receiving electrodes and the inductor electrically connected between the first and second power receiving electrodes, the first and second power receiving devices are provided. The electric field between the two power transmitting electrodes and the electric field between the first and second power receiving electrodes can be fed by electric field resonance coupling,
A dielectric is disposed in a predetermined region that is close to the first and second power transmission electrodes, and that has a different distance from the first and second power transmission electrodes and a distance from the first and second power reception electrodes. If the resonance frequency of the power transmission device does not match the resonance frequency of the power reception device when not present, and the dielectric is present in the predetermined region, the resonance frequency of the power transmission device and the resonance of the power reception device The resonance characteristics are adjusted so that the power supply starts at the same frequency ,
The dielectric is a human body or an animal,
A power transmission device characterized by that.
前記第1および第2の受電電極の間に電気的に接続されたインダクタと、を備え、
共振周波数が、第1及び第2の送電電極と当該第1および第2の送電電極間に電気的に接続されたインダクタとを備える送電装置の共振周波数と一致することにより、前記第1および第2の送電電極間の電界と前記第1および第2の受電電極間の電界とが電界共振結合して給電可能となり、
前記第1および第2の受電電極に近接するとともに、前記第1および第2の送電電極からの距離と前記第1および第2の受電電極からの距離とがそれぞれ異なる所定の領域に誘電体が存在しない場合に、前記送電装置の共振周波数と前記受電装置の共振周波数とが一致せず、前記所定の領域に前記誘電体が存在する場合に、前記送電装置の共振周波数と前記受電装置の共振周波数とが一致して給電を開始するように、共振特性が調整され、
前記誘電体は、人体または動物である、
ことを特徴とする受電装置。 First and second power receiving electrodes disposed apart from each other;
An inductor electrically connected between the first and second power receiving electrodes;
When the resonance frequency matches the resonance frequency of a power transmission device including the first and second power transmission electrodes and an inductor electrically connected between the first and second power transmission electrodes, The electric field between the two power transmitting electrodes and the electric field between the first and second power receiving electrodes can be fed by electric field resonance coupling,
A dielectric is disposed in a predetermined region that is close to the first and second power receiving electrodes and that has a distance from the first and second power receiving electrodes that is different from a distance from the first and second power receiving electrodes. If the resonance frequency of the power transmission device does not match the resonance frequency of the power reception device when not present, and the dielectric is present in the predetermined region, the resonance frequency of the power transmission device and the resonance of the power reception device The resonance characteristics are adjusted so that the power supply starts at the same frequency ,
The dielectric is a human body or an animal,
A power receiving device.
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