JP6294717B2 - Electric field resonance type wireless power transmission device - Google Patents

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本発明は、電界共鳴によりワイヤレスで電力伝送を行う電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置に関し、特にワイヤレスで電力伝送を行う伝送距離を延伸することが可能な電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置に関するものである。   The present invention relates to an electric field resonance type wireless power transmission device that wirelessly transmits electric power by electric field resonance, and more particularly to an electric field resonance type wireless power transmission device that can extend a transmission distance for wireless power transmission.

電磁誘導や電磁共鳴によりワイヤレスで電力伝送を行う技術の開発が、これまで進められている。電磁共鳴方式で電力伝送を行う技術では、特にコイル間の磁界結合を利用して電力伝送を行う技術が広く知られている。一方、電極間の電界結合を利用して電力伝送または信号伝送を行う技術として、例えば特許文献1に開示されたものがある。特許文献1における送受カップラの伝送距離はカップラの最大寸法程度である。例えば特許文献1に記載の矩形型カップラにおいては、カップラ電極寸法が250mm×250mmで良好な特性が確保できる伝送距離は200mm程度である。これ以上伝送距離を取ると伝送効率が低下し、所望の電力を送ることが困難となる。   The development of technology for wireless power transmission by electromagnetic induction or electromagnetic resonance has been underway. As a technique for performing power transmission by an electromagnetic resonance method, a technique for performing power transmission by using magnetic field coupling between coils is widely known. On the other hand, as a technique for performing power transmission or signal transmission using electric field coupling between electrodes, for example, there is one disclosed in Patent Document 1. The transmission distance of the transmission / reception coupler in Patent Document 1 is about the maximum dimension of the coupler. For example, in the rectangular coupler described in Patent Document 1, the distance of the coupler electrode is 250 mm × 250 mm, and the transmission distance that can ensure good characteristics is about 200 mm. If the transmission distance is longer than this, the transmission efficiency is lowered, and it becomes difficult to send desired power.

電力伝送距離を延長するには特許文献1に記載の中継器を利用する方法が挙げられるが、中継器の構成は基本的に送受電カップラと同じものであり、インダクタの抵抗値に起因するロスが中継器を加えることで増加してしまう。即ち中継器を加えることは伝送距離は伸びるが伝送効率は低下してしまうという欠点がある。   In order to extend the power transmission distance, there is a method using the repeater described in Patent Document 1, but the structure of the repeater is basically the same as that of the power transmission / reception coupler, and the loss caused by the resistance value of the inductor. Will increase with the addition of repeaters. In other words, the addition of a repeater has the disadvantage that the transmission distance is increased but the transmission efficiency is lowered.

また、伝送距離延長の例としては特許文献2に開示されたものがある。特許文献2には、結合用電極上の電荷とグランドの鏡像電荷とで微小ダイポールを形成し、この微小ダイポールによる電磁界を対向する位置に配置された別の結合用電極に伝搬させる技術が記載されている。ここでは、2つの結合用電極間の距離を延伸するために、その間に誘電体または磁性体からなる伝送線路を配置している。伝送線路は、微小ダイポールとなす角度がほぼ0°の方向に配置され、高周波の電界が波動として伝搬するように構成されている。   An example of extending the transmission distance is disclosed in Patent Document 2. Patent Document 2 describes a technique in which a minute dipole is formed by a charge on a coupling electrode and a mirror image charge of the ground, and an electromagnetic field generated by the minute dipole is propagated to another coupling electrode disposed at an opposing position. Has been. Here, in order to extend the distance between the two coupling electrodes, a transmission line made of a dielectric or magnetic material is disposed between them. The transmission line is arranged in a direction where the angle formed with the minute dipole is approximately 0 °, and is configured such that a high-frequency electric field propagates as a wave.

特開2013−554363JP2013-554363 特許第5267633号Japanese Patent No. 5267633

しかしながら、特許文献2に開示された技術は、後述の、軸を中心に回転する回転体等の機器にワイヤレスで電力伝送する給電装置には適用することができない。回転体へ電力を供給するためには、伝送線路を回転体の回転軸と一致させる、すなわち伝送線路と回転軸とを共通化させる必要があるが、特許文献2の技術を適用するためには伝送線路を結合用電極及びグランドに貫通させる必要がある。しかし、伝送線路を結合用電極及びグランドに貫通させると、結合用電極とグランドとの結合の方が送受結合電極間の結合より強くなってしまい、結果的に伝送距離の延長が困難になるといった問題が生じる。また、後述の、作業用リフトへの適用を考慮した場合、結合用電極間に伝送線路が存在するため、電力伝送距離がほぼ固定されてしまい、伝送距離延長と可動範囲確保の両立が困難になるといった問題が生じる。   However, the technique disclosed in Patent Document 2 cannot be applied to a power supply apparatus that wirelessly transmits power to a device such as a rotating body that rotates around an axis, which will be described later. In order to supply electric power to the rotator, it is necessary to make the transmission line coincide with the rotation axis of the rotator, that is, to make the transmission line and the rotation axis common. It is necessary to penetrate the transmission line through the coupling electrode and the ground. However, if the transmission line is passed through the coupling electrode and the ground, the coupling between the coupling electrode and the ground becomes stronger than the coupling between the transmission / reception coupling electrodes, resulting in difficulty in extending the transmission distance. Problems arise. In addition, when considering application to a work lift, which will be described later, since there is a transmission line between the coupling electrodes, the power transmission distance is almost fixed, making it difficult to achieve both extension of the transmission distance and securing the movable range. Problem arises.

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、回転体並びに非回転体に対し電界共鳴によりワイヤレスで電力伝送が可能でかつ伝送距離を延伸することが可能な電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve these problems, and is capable of wirelessly transmitting electric power by electric field resonance to a rotating body and a non-rotating body, and capable of extending the transmission distance. An object is to provide a transmission apparatus.

本発明の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の第1の態様は、2つの電極と前記2つの電極に直列に接続されたインダクタとをそれぞれ有する送電カップラ及び受電カップラと、所定の離隔距離を設けて前記送電カップラと前記受電カップラとに近接させて配置された金属体と、を備え、前記2つの電極は、中心に配置された中心電極と該中心電極の外周に離隔して配置された外周電極とからなり、前記導電体は、円柱状に形成された金属支柱であり、前記送電カップラ及び前記受電カップラのそれぞれの前記中心電極の中心に円形状の貫通孔が形成されて前記金属支柱が非接触に貫通されていることを特徴とする。 According to a first aspect of the electric field resonance type wireless power transmission device of the present invention, a power transmission coupler and a power reception coupler each having two electrodes and an inductor connected in series to the two electrodes are provided with a predetermined separation distance. A metal body disposed close to the power transmission coupler and the power receiving coupler, and the two electrodes are a central electrode disposed at the center and an outer peripheral electrode disposed separately from the outer periphery of the central electrode The conductor is a metal column formed in a columnar shape, and a circular through-hole is formed at the center of the center electrode of each of the power transmission coupler and the power reception coupler so that the metal column is not It is characterized by being penetrated by contact .

本発明の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の他の態様は、前記送電カップラ及び前記受電カップラのそれぞれの前記外周電極に所定の離隔距離を設けて配置された金属壁をさらに備え、前記金属壁の直径が外周電極の直径の1.2倍以下であることを特徴とする。   Another aspect of the electric field resonance type wireless power transmission device of the present invention further includes a metal wall disposed with a predetermined separation distance between the outer peripheral electrodes of the power transmission coupler and the power reception coupler, The diameter is 1.2 times or less of the diameter of the outer peripheral electrode.

本発明の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の他の態様は、前記金属壁の前記送電カップラ側の端部及び前記受電カップラ側の端部のそれぞれにショート板が設けられて前記金属支柱の両端部が接続され、前記送電カップラと近接する前記ショート板との距離、及び前記受電カップラと近接する前記ショート板との距離、がそれぞれ前記送電カップラと前記受電カップラとの距離の1/6以上であることを特徴とする。   According to another aspect of the electric field resonance type wireless power transmission device of the present invention, a short plate is provided at each of the end portion on the power transmission coupler side and the end portion on the power reception coupler side of the metal wall, and both end portions of the metal support column are provided. Are connected, and the distance between the power transmission coupler and the short plate adjacent to the power transmission coupler and the distance between the power reception coupler and the short plate adjacent to each other are 1/6 or more of the distance between the power transmission coupler and the power reception coupler, respectively. It is characterized by that.

本発明の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の他の態様は、前記金属支柱及び/または前記金属壁が切断されて前記送電カップラ側と前記受電カップラ側とに分離され、前記切断された両端部に容量結合させるための電極が設けられていることを特徴とする。   In another aspect of the electric field resonance type wireless power transmission device of the present invention, the metal strut and / or the metal wall is cut to be separated into the power transmission coupler side and the power receiving coupler side, and at both ends of the cut ends. An electrode for capacitive coupling is provided.

本発明の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の他の態様は、前記送電カップラと前記受電カップラとが所定の角度で配置されるように、前記金属支柱及び前記金属壁が湾曲されていることを特徴とする。   In another aspect of the electric field resonance type wireless power transmission device of the present invention, the metal column and the metal wall are curved so that the power transmission coupler and the power reception coupler are arranged at a predetermined angle. And

本発明の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の他の態様は、前記送電カップラ及び/または前記受電カップラの前記中心電極及び前記外周電極に、半径方向の切欠き部が形成されていることを特徴とする。   Another aspect of the electric field resonance type wireless power transmission device according to the present invention is characterized in that a radial notch is formed in the center electrode and the outer peripheral electrode of the power transmission coupler and / or the power receiving coupler. To do.

本発明の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の他の態様は、2つの電極と前記2つの電極に直列に接続されたインダクタとをそれぞれ有する送電カップラ及び受電カップラと、所定の離隔距離を設けて前記送電カップラと前記受電カップラとに近接させて配置された導電体と、を備え、前記2つの電極は、矩形状に形成されて平行に配列され、前記導電体は、前記送電カップラ及び前記受電カップラのそれぞれの前記2つの電極の対向する辺とは反対側の辺の一方または両方に所定の離隔距離を設けて配置された金属板であり、前記金属板は、前記送電カップラの一方の電極と、前記受電カップラの一方の電極とに電界結合する様に、これらの電極が対向する方向に沿って配されることを特徴とする。
According to another aspect of the electric field resonance wireless power transmission device of the present invention, a power transmission coupler and a power reception coupler each having two electrodes and an inductor connected in series to the two electrodes are provided with a predetermined separation distance. A power transmission coupler and a conductor disposed close to the power reception coupler, wherein the two electrodes are formed in a rectangular shape and arranged in parallel, and the conductors are the power transmission coupler and the power reception coupler. metal plates der disposed with a predetermined distance to one or both of the opposite sides to the opposite sides of each of the two electrodes of is, the metal plate, one electrode of the power transmitting coupler These electrodes are arranged along the facing direction so as to be electrically coupled to one electrode of the power receiving coupler .

本発明の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の他の態様は、前記送電カップラ及び前記受電カップラと前記金属板との距離が、前記送電カップラと前記受電カップラの幅の0.1倍以下であることを特徴とする。 In another aspect of the electric field resonance type wireless power transmission device of the present invention, a distance between the power transmission coupler and the power reception coupler and the metal plate is 0.1 times or less of a width of the power transmission coupler and the power reception coupler. It is characterized by.

本発明の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の他の態様は、前記送電カップラと前記受電カップラとの間に、前記送電カップラ及び前記受電カップラと同じ形状の前記2つの電極及び前記インダクタを有する中継カップラが配置されることを特徴とする。 Another aspect of the electric field resonance type wireless power transmission device according to the present invention is a relay coupler having the two electrodes and the inductor having the same shape as the power transmission coupler and the power reception coupler between the power transmission coupler and the power reception coupler. Is arranged.

本発明によれば、回転体及び非回転体に対し電界共鳴によりワイヤレスで電力伝送が可能でかつ伝送距離を延伸することが可能な電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置を提供することができ、種々のカップラ設置条件を有するアプリケーションの実現を可能とする。   According to the present invention, it is possible to provide an electric field resonance type wireless power transmission device capable of wirelessly transmitting electric power by electric field resonance to a rotating body and a non-rotating body and extending a transmission distance. It is possible to realize an application having coupler installation conditions.

本発明の第1実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electric field resonance type | mold wireless electric power transmission apparatus of 1st Embodiment of this invention. 比較例1の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electric field resonance type | mold wireless power transmission apparatus of the comparative example 1. FIG. 第1実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission efficiency of the electric field resonance type | mold wireless electric power transmission apparatus of 1st Embodiment. 比較例1の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を示すグラフである。10 is a graph showing the transmission efficiency of the electric field resonance type wireless power transmission device of Comparative Example 1; 比較例1の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置における電界分布を説明する模式図である。6 is a schematic diagram illustrating an electric field distribution in the electric field resonance type wireless power transmission device of Comparative Example 1. FIG. 第1実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置における電界分布を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the electric field distribution in the electric field resonance type | mold wireless electric power transmission apparatus of 1st Embodiment. 第1実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置における電界分布図である。It is an electric field distribution map in the electric field resonance type wireless power transmission device of a 1st embodiment. 本発明の第2実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electric field resonance type | mold wireless power transmission apparatus of 2nd Embodiment of this invention. 第2実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission efficiency of the electric field resonance type | mold wireless electric power transmission apparatus of 2nd Embodiment. 第3実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electric field resonance type | mold wireless power transmission apparatus of 3rd Embodiment. 第3実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission efficiency of the electric field resonance type | mold wireless electric power transmission apparatus of 3rd Embodiment. 第4実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electric field resonance type | mold wireless power transmission apparatus of 4th Embodiment. 比較例2の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の構成を示す断面図である。10 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an electric field resonance type wireless power transmission device of Comparative Example 2. FIG. 第4実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission efficiency of the electric field resonance type | mold wireless electric power transmission apparatus of 4th Embodiment. 比較例2の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を示すグラフである。10 is a graph showing the transmission efficiency of the electric field resonance type wireless power transmission device of Comparative Example 2. 第5実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electric field resonance type | mold wireless power transmission apparatus of 5th Embodiment. 第5実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission efficiency of the electric field resonance type | mold wireless electric power transmission apparatus of 5th Embodiment. 第6実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electric field resonance type | mold wireless power transmission apparatus of 6th Embodiment. 比較例3の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の構成を示す斜視図である。10 is a perspective view showing a configuration of an electric field resonance type wireless power transmission device of Comparative Example 3. FIG. 第6実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission efficiency of the electric field resonance type | mold wireless electric power transmission apparatus of 6th Embodiment. 比較例3の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を示すグラフである。10 is a graph showing the transmission efficiency of the electric field resonance type wireless power transmission device of Comparative Example 3. 第7実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electric field resonance type | mold wireless power transmission apparatus of 7th Embodiment. 比較例4の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electric field resonance type | mold wireless power transmission apparatus of the comparative example 4. 第7実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission efficiency of the electric field resonance type | mold wireless electric power transmission apparatus of 7th Embodiment. 比較例4の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を示すグラフである。10 is a graph showing the transmission efficiency of the electric field resonance type wireless power transmission device of Comparative Example 4; 第8実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electric field resonance type | mold wireless power transmission apparatus of 8th Embodiment. 第8実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission efficiency of the electric field resonance type | mold wireless electric power transmission apparatus of 8th Embodiment. 第8実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置を作業用ロボットに適用した一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example which applied the electric field resonance type | mold wireless power transmission apparatus of 8th Embodiment to the robot for work. 第8実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置においてカップラを矩形型として作業用リフトに適用した一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example which applied the coupler to the work lift in the electric field resonance type | mold wireless electric power transmission apparatus of 8th Embodiment as a rectangular shape.

本発明の好ましい実施の形態における電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。また、交流電源及び負荷の入力インピーダンスは、断らない限り全て50Ωとしている。   An electric field resonance type wireless power transmission device according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, about each structural part which has the same function, the same code | symbol is attached | subjected and shown for simplification of illustration and description. Further, the input impedances of the AC power supply and the load are all 50Ω unless otherwise noted.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置を、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100の構成を示す斜視図である。電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100は、電力を供給する送電カップラ110と、送電カップラ110から受電する受電カップラ120を備えている。
(First embodiment)
An electric field resonance type wireless power transmission apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an electric field resonance type wireless power transmission device 100 of the present embodiment. The electric field resonance type wireless power transmission device 100 includes a power transmission coupler 110 that supplies power and a power reception coupler 120 that receives power from the power transmission coupler 110.

送電カップラ110は、円板状の中心電極111と、中心電極111の周りに円環状に形成された外周電極112の2つの電極を備えている。中心電極111と外周電極112は、各中心が一致する同心円状に形成されている。同様に受電カップラ120も、円板状の中心電極121とその周りに円環状に形成された外周電極122を備えており、それぞれの中心が一致する同心円状に形成されている。   The power transmission coupler 110 includes two electrodes, a disc-shaped center electrode 111 and an outer peripheral electrode 112 formed in an annular shape around the center electrode 111. The center electrode 111 and the outer peripheral electrode 112 are formed in concentric circles whose centers coincide with each other. Similarly, the power receiving coupler 120 also includes a disk-shaped center electrode 121 and an outer peripheral electrode 122 formed in an annular shape around the center electrode 121, and is formed in a concentric shape in which the respective centers coincide with each other.

送電カップラ110において、中心電極111及び外周電極112にはそれぞれインダクタ113、114の一端が接続されており、インダクタ113、114の他端が交流電源(図示せず)に接続される構成となっている。中心電極111と外周電極112間は容量結合電極であり、これらインダクタ113,114、中心電極111、外周電極112、交流電源にて直列共振回路を形成しており、インダクタ113、114に交流電力が供給されると、中心電極111と外周電極112との間で電界結合(容量結合)が生じる。上記の直列共振回路の共振周波数及び共振波長を、以下ではfc及びλcとする。外周電極112の外周の直径をλc/(2π)より短くして中心電極111及び外周電極112を直径λc/(2π)より狭い領域に配置する。これにより送電カップラからの不要放射を抑制することができる。   In the power transmission coupler 110, one end of each of the inductors 113 and 114 is connected to the center electrode 111 and the outer peripheral electrode 112, and the other end of the inductors 113 and 114 is connected to an AC power source (not shown). Yes. Between the center electrode 111 and the outer peripheral electrode 112 is a capacitive coupling electrode, and a series resonance circuit is formed by the inductors 113 and 114, the central electrode 111, the outer peripheral electrode 112, and an AC power source, and AC power is supplied to the inductors 113 and 114. When supplied, electric field coupling (capacitive coupling) occurs between the center electrode 111 and the outer peripheral electrode 112. The resonant frequency and resonant wavelength of the above series resonant circuit are hereinafter referred to as fc and λc. The diameter of the outer periphery of the outer peripheral electrode 112 is made shorter than λc / (2π), and the center electrode 111 and the outer peripheral electrode 112 are arranged in a region narrower than the diameter λc / (2π). Thereby, the unnecessary radiation from the power transmission coupler can be suppressed.

同様に受電カップラ120においても、中心電極121及び外周電極122にそれぞれインダクタ123、124の一端が接続されており、インダクタ123、124の他端が負荷(図示せず)に接続される構成となっている。これらインダクタ123,124、中心電極121、外周電極122、負荷にて直列共振回路を形成している。送電カップラ110と同様、外周電極122の外周の直径をλc/(2π)より短くして中心電極121及び外周電極122を直径λc/(2π)より狭い領域に配置する。これにより受電カップラからの不要放射を抑制することができる。   Similarly, in power receiving coupler 120, one end of inductors 123 and 124 is connected to center electrode 121 and outer peripheral electrode 122, respectively, and the other end of inductors 123 and 124 is connected to a load (not shown). ing. A series resonance circuit is formed by the inductors 123 and 124, the center electrode 121, the outer peripheral electrode 122, and the load. Similar to the power transmission coupler 110, the diameter of the outer periphery of the outer peripheral electrode 122 is made shorter than λc / (2π), and the center electrode 121 and the outer peripheral electrode 122 are arranged in a region narrower than the diameter λc / (2π). Thereby, unnecessary radiation from the power receiving coupler can be suppressed.

上記のように構成された送電カップラ110と受電カップラ120とを所定の間隔を設けて対向させて配置することで、送電カップラ110と受電カップラ120との間を電界結合(容量結合)させることができる。これにより、交流電源から送電カップラ110に供給された電力を、電界結合により受電カップラ120にワイヤレスで伝送することができ、受電カップラ120に接続された負荷に電力を供給することが可能となる。また、送電カップラ110の中心電極111と外周電極112、及び受電カップラ120の中心電極121と外周電極122、がそれぞれ同心円状に形成されて軸対称性を有していることから、中心軸を一致させて対向させることで、例えば受電カップラ120を中心軸の周りに回転させても特性は変化せず、同じ効率で電力伝送を行うことができる。なお、送電カップラ110と受電カップラ120の中心間距離をλc/(2π)以下に抑えることで、送受カップラは近傍界結合する形となり、送受結合に伴って生じる不要放射を抑制することができる。   The electric power coupling (capacitive coupling) between the power transmission coupler 110 and the power receiving coupler 120 can be achieved by disposing the power transmission coupler 110 and the power receiving coupler 120 configured as described above so as to face each other with a predetermined interval therebetween. it can. As a result, the power supplied from the AC power supply to the power transmission coupler 110 can be wirelessly transmitted to the power receiving coupler 120 by electric field coupling, and the power can be supplied to the load connected to the power receiving coupler 120. In addition, since the central electrode 111 and the outer peripheral electrode 112 of the power transmission coupler 110 and the central electrode 121 and the outer peripheral electrode 122 of the power receiving coupler 120 are formed concentrically and have axial symmetry, the central axes coincide with each other. Thus, for example, even when the power receiving coupler 120 is rotated around the central axis, the characteristics do not change, and power transmission can be performed with the same efficiency. In addition, by suppressing the distance between the centers of the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 to be equal to or less than λc / (2π), the transmission / reception coupler becomes a form of near field coupling, and unnecessary radiation caused by the transmission / reception coupling can be suppressed.

本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100では、中心電極111、121の半径を70mmとし、外周電極112、122の内周の半径を225mm、外周の半径を240mmとしている。これより、外周電極112、122の幅が15mmとなり、中心電極111の外周と外周電極112の内周との間、及び中心電極121の外周と外周電極122の内周との間の距離が、ともに155mmとなっている。中心電極111、121及び外周電極112、122を形成する材料として、電気伝導性の高い例えば銅を用いることができる。   In the electric field resonance type wireless power transmission device 100 of this embodiment, the radius of the center electrodes 111 and 121 is 70 mm, the radius of the inner periphery of the outer peripheral electrodes 112 and 122 is 225 mm, and the radius of the outer periphery is 240 mm. Accordingly, the width of the outer peripheral electrodes 112 and 122 is 15 mm, and the distance between the outer periphery of the center electrode 111 and the inner periphery of the outer peripheral electrode 112 and the distance between the outer periphery of the center electrode 121 and the inner periphery of the outer peripheral electrode 122 are Both are 155 mm. For example, copper having high electrical conductivity can be used as a material for forming the center electrodes 111 and 121 and the outer peripheral electrodes 112 and 122.

また、インダクタ113、114は、線径1mmの銅線を用いてそれぞれ巻き数13、長さ13.4mm、直径21mmに形成したものであり、抵抗値が一個当たり0.5Ωとなっている。インダクタ113、114は、両者の間隔が22.5mmとなるように配置されている。インダクタ123、124についても、インダクタ113、114と同様に形成されている。   The inductors 113 and 114 are each formed by using a copper wire having a wire diameter of 1 mm so that the number of turns is 13, the length is 13.4 mm, and the diameter is 21 mm, and the resistance value is 0.5Ω per piece. The inductors 113 and 114 are arranged so that the distance between them is 22.5 mm. The inductors 123 and 124 are formed in the same manner as the inductors 113 and 114.

本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100は、上記の構成に加えて半径10mmの金属支柱130を備えており、さらに中心電極111,121のそれぞれの中心に、半径20mmの貫通孔111a、121aが形成されている。金属支柱130は、貫通孔111a、121aの中心を貫通するように配置されており、貫通孔111a、121aの内周とは10mmのギャップを有している。金属支柱130を形成する材料として、やはり銅を用いることができる。   The electric field resonance type wireless power transmission device 100 of the present embodiment includes a metal support 130 having a radius of 10 mm in addition to the above-described configuration, and further, through each of the center electrodes 111 and 121, a through-hole 111 a having a radius of 20 mm, 121a is formed. The metal column 130 is disposed so as to penetrate the centers of the through holes 111a and 121a, and has a gap of 10 mm from the inner periphery of the through holes 111a and 121a. Copper can also be used as a material for forming the metal support 130.

上記のように金属支柱130を貫通孔111a、121aの中心に貫通させることにより、送電カップラ110から受電カップラ120にワイヤレスで電力伝送可能なカップラ間の距離を延伸させることが可能となる。本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100では、送電カップラ110と受電カップラ120との間隔を例えば450mmとすることができる。   By passing the metal column 130 through the centers of the through holes 111a and 121a as described above, it is possible to extend the distance between the couplers that can wirelessly transmit power from the power transmission coupler 110 to the power reception coupler 120. In the electric field resonance type wireless power transmission device 100 of the present embodiment, the distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 can be set to, for example, 450 mm.

これに対し、金属支柱130を用いない図2に示す従来構成の比較例1の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置90では、電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100と同程度の高い効率で電力伝送を行うために、送電カップラ110と受電カップラ120との間隔を例えば200mmとする必要がある。なお、図2に示す比較例1では、金属支柱130の有無を除いて電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100と同じ構成とするために、比較例1の中心電極111、121にもそれぞれ貫通孔111a、121aを形成している。本実施形態では、金属支柱130を用いることで、送電カップラ110と受電カップラ120との距離を従来より2倍以上延伸することが可能となっている。   On the other hand, the electric field resonance type wireless power transmission device 90 of Comparative Example 1 of the conventional configuration shown in FIG. 2 that does not use the metal support 130 performs power transmission with the same high efficiency as the electric field resonance type wireless power transmission device 100. Therefore, the interval between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 needs to be set to 200 mm, for example. In Comparative Example 1 shown in FIG. 2, the center electrodes 111 and 121 of Comparative Example 1 also have through holes 111a in order to have the same configuration as that of the electric field resonance wireless power transmission apparatus 100 except for the presence or absence of the metal support 130. , 121a. In the present embodiment, by using the metal support 130, the distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 can be extended more than twice as compared with the prior art.

金属支柱130を用いて送電カップラ110と受電カップラ120との間の距離を450mmとしたときの伝送効率η21を図3に示す。また、比較のために図2に示した比較例1における伝送効率η21を図4に示す。図3、4では、横軸を周波数としており、伝送効率η21の周波数に対する変化を示している。   FIG. 3 shows the transmission efficiency η21 when the distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is set to 450 mm using the metal support 130. For comparison, the transmission efficiency η21 in the comparative example 1 shown in FIG. 2 is shown in FIG. 3 and 4, the horizontal axis represents frequency, and changes in transmission efficiency η21 with respect to frequency are shown.

伝送効率η21は、送電カップラ110から受電カップラ120に電力伝送される効率を示すものであり、SパラメータのS21を用いてη21=|S21|2で与えられる。図3、4では、伝送効率η21に加えて反射損η11=|S11|2、及び|S11|、|S21|を併せて示している。 The transmission efficiency η21 indicates the efficiency of power transmission from the power transmission coupler 110 to the power reception coupler 120, and is given by η21 = | S21 | 2 using the S parameter S21. 3 and 4, in addition to the transmission efficiency η21, the reflection loss η11 = | S11 | 2 , and | S11 |, | S21 | are also shown.

図4に示すように、金属支柱130を用いない比較例1では、送電カップラ110と受電カップラ120との距離を200mmとしたときに、共振周波数約27MHzで約96%の伝送効率が得られる。これに対し、金属支柱130を用いた本実施形態では、送電カップラ110と受電カップラ120との距離を450mmに延伸しても、共振周波数約27MHzで約96%の伝送効率が得られている。本実施形態では、金属支柱130を電界の仲介媒体に用いることで、電力伝送距離を200mmから450mmに延伸することが可能となっている。   As shown in FIG. 4, in Comparative Example 1 in which the metal support 130 is not used, when the distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is 200 mm, a transmission efficiency of about 96% is obtained at a resonance frequency of about 27 MHz. On the other hand, in this embodiment using the metal support 130, even if the distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is extended to 450 mm, a transmission efficiency of about 96% is obtained at a resonance frequency of about 27 MHz. In this embodiment, the power transmission distance can be extended from 200 mm to 450 mm by using the metal support 130 as an electric field mediation medium.

次に、中心に金属支柱130を配置した本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100における電界分布を、図2に示した金属支柱130を配置しない比較例1における電界分布と比較して説明する。まず、金属支柱130を配置しない比較例1における電界分布を図5を用いて説明する。同図は、送電カップラ110及び受電カップラ120の中心軸を通る断面で見たときの各カップラの断面における電荷分布、及び電極間の電界分布を示している。   Next, the electric field distribution in the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 100 of the present embodiment in which the metal support 130 is arranged at the center will be described in comparison with the electric field distribution in the comparative example 1 in which the metal support 130 shown in FIG. To do. First, the electric field distribution in Comparative Example 1 in which the metal support 130 is not disposed will be described with reference to FIG. The figure shows the charge distribution in the cross section of each coupler and the electric field distribution between the electrodes when viewed in a cross section passing through the central axis of the power transmission coupler 110 and the power receiving coupler 120.

送電カップラ110に交流電力が供給されることにより、中心電極111と外周電極112に正(+)の電荷と負(−)の電荷が1/2周期で交互に分布する。また電界ベクトルは、1/4周期で中心電極と外周電極の結合の向きから中心電極同士、外周電極同士の結合の向きに変化し、次の1/4周期で中心電極同士、外周電極同士の結合の向きから中心電極と外周電極の結合の向きに変化するように1周期で1回転する。即ち、中心電極111と外周電極112との間で電界結合するとともに、受電カップラ120との間でも、例えばある時点で図5(a)に示すような電界分布で結合し、1/4周期後に図5(b)に示すような電界分布で結合する。図5(a)に示す電界分布のときは、受電カップラ120の中心電極121に負の電荷が分布し、外周電極122には正の電荷が分布する。また、1/4周期後の図5(b)に示す電界分布のときは、中心電極121に正の電荷が分布し、対向する送電カップラの中心電極111には負の電荷が分布する。   When AC power is supplied to the power transmission coupler 110, positive (+) charges and negative (−) charges are alternately distributed to the center electrode 111 and the outer peripheral electrode 112 in half cycles. In addition, the electric field vector changes from the direction of coupling between the center electrode and the outer peripheral electrode to the direction of coupling between the central electrodes and the outer circumferential electrode in a quarter cycle, and between the center electrode and the outer circumferential electrode in the next quarter cycle. One rotation is made in one cycle so as to change from the coupling direction to the coupling direction of the center electrode and the outer peripheral electrode. That is, the electric field coupling is performed between the center electrode 111 and the outer peripheral electrode 112, and the electric coupling is also performed between the power receiving coupler 120 and the electric power receiving coupler 120, for example, at a certain point in time as shown in FIG. Coupling is performed with an electric field distribution as shown in FIG. In the electric field distribution shown in FIG. 5A, negative charges are distributed on the center electrode 121 of the power receiving coupler 120, and positive charges are distributed on the outer peripheral electrode 122. Further, in the electric field distribution shown in FIG. 5B after a quarter cycle, positive charges are distributed in the center electrode 121 and negative charges are distributed in the center electrode 111 of the opposing power transmission coupler.

一方、中心に金属支柱130を配置した本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100における電界分布を図6に示す。図6は、図5と同様に送電カップラ110及び受電カップラ120の中心軸を通る断面で見たときの各カップラの断面における電荷分布、及び電極間の電界分布を示している。また、図6(a)、(b)は、それぞれ図5(a)、(b)に対応する時点の電荷及び電界の分布を示している。送電カップラ110及び受電カップラ120のそれぞれの電極に分布する電荷は、金属支柱130が配置されていないときの図5と金属支柱130が配置されているときの図6とで同じとなっている。   On the other hand, FIG. 6 shows an electric field distribution in the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 100 of the present embodiment in which the metal support 130 is arranged at the center. 6 shows the charge distribution in the cross section of each coupler and the electric field distribution between the electrodes when viewed in a cross section passing through the central axis of the power transmission coupler 110 and the power receiving coupler 120 as in FIG. FIGS. 6A and 6B show the electric charge and electric field distributions at the time points corresponding to FIGS. 5A and 5B, respectively. The electric charges distributed to the respective electrodes of the power transmission coupler 110 and the power receiving coupler 120 are the same in FIG. 5 when the metal column 130 is not disposed and in FIG. 6 when the metal column 130 is disposed.

一方電界分布については、金属支柱130が配置された場合には、送電カップラ110及び受電カップラ120とも、各電極が金属支柱130との間で電界結合することが図6に示されている。その結果、金属支柱130に電荷の流れが生じ、送電カップラ110と受電カップラ120との距離を大きくしても、金属支柱130を介した電界結合により伝送効率を低下させることなく電力伝送することが可能となる。図6(a)に示す電界分布では、主として外周電極112と中心電極121間に金属支柱130を介しての強い電界結合が生じている。図6(b)に示す電界分布では、主として中心電極111と中心電極121間に金属支柱130を介しての強い電界結合が生じている。図6(a)、(b)に示す電界分布をより詳細に表示したものを、それぞれ図7(a)、(b)に示す。この場合金属支柱は送電側カップラ110における中心電極111と外周電極112間の結合、及び受電側カップラ120における中心電極121と外周電極122間の結合にはほとんど寄与しておらず、主に送受カップラ間の結合増大に寄与している。   On the other hand, with regard to the electric field distribution, FIG. 6 shows that when the metal support 130 is disposed, each electrode of the power transmission coupler 110 and the power receiving coupler 120 is electrically coupled to the metal support 130. As a result, a flow of electric charge is generated in the metal support 130, and even when the distance between the power transmission coupler 110 and the power receiving coupler 120 is increased, electric power can be transmitted without reducing transmission efficiency due to electric field coupling via the metal support 130. It becomes possible. In the electric field distribution shown in FIG. 6A, strong electric field coupling mainly occurs between the outer peripheral electrode 112 and the center electrode 121 through the metal support 130. In the electric field distribution shown in FIG. 6B, strong electric field coupling mainly occurs between the center electrode 111 and the center electrode 121 via the metal support 130. FIGS. 7A and 7B show the electric field distributions shown in FIGS. 6A and 6B in more detail. In this case, the metal strut hardly contributes to the coupling between the center electrode 111 and the outer peripheral electrode 112 in the power transmission side coupler 110 and the coupling between the center electrode 121 and the outer peripheral electrode 122 in the power receiving side coupler 120, and mainly the transmission / reception coupler. This contributes to an increase in the bond between them.

本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100では、送電カップラ110及び受電カップラ120の中心軸に金属支柱130を配置することで、送電カップラ110と受電カップラ120との間の伝送距離を従来の約2.5倍に拡張することが可能となっている。また、本実施形態の送電カップラ110及び受電カップラ120が中心軸を中心に同心円状に形成されていることから、回転体の回転軸と金属支柱130とを一致させて該回転体に受電カップラ120を配置することで、回転体にワイヤレスで電力供給することができる。   In the electric field resonance type wireless power transmission device 100 according to the present embodiment, the metal strut 130 is disposed on the central axis of the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120, thereby reducing the transmission distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120. It is possible to expand to about 2.5 times. In addition, since the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 of the present embodiment are formed concentrically around the central axis, the power reception coupler 120 is aligned with the rotation axis of the rotation body and the metal support 130. It is possible to wirelessly supply power to the rotating body by arranging.

一例として、回転しながら作業する作業用ロボットの回転軸を金属支柱130に用い、該作業用ロボットに受電カップラ120を設置しておく。一方、貫通孔111aに回転軸を貫通させて固定した送電カップラ110を交流電源に接続することで、作業用ロボットに必要な電力を送信カップラ110からワイヤレスで受電カップラ120に伝送し、受電カップラ120から作業用ロボットに供給することができる。   As an example, the rotating shaft of a working robot that works while rotating is used as the metal support 130, and the power receiving coupler 120 is installed in the working robot. On the other hand, by connecting the power transmission coupler 110, which is fixed by penetrating the rotating shaft through the through-hole 111a, to the AC power source, the power required for the work robot is wirelessly transmitted from the transmission coupler 110 to the power reception coupler 120. Can be supplied to the working robot.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態に係る電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置を、図8を用いて説明する。図8は、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置200の構成を示す斜視図である。電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置200は、第1実施形態と同様に金属支柱130を備えており、これに加えて送電カップラ110及び受電カップラ120の周囲を囲むように金属壁240が設けられている。
(Second Embodiment)
An electric field resonance type wireless power transmission apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of the electric field resonance type wireless power transmission device 200 of the present embodiment. The electric field resonance type wireless power transmission device 200 includes the metal support 130 as in the first embodiment, and in addition, a metal wall 240 is provided so as to surround the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120. .

本実施形態では、送電カップラ110及び受電カップラ120を金属壁240で取り囲むことで、金属支柱130に加えて、金属壁240との間でも電界結合させている。より詳細には、中心電極111と外周電極122間に金属壁240を介しての強い電界結合が加わっている。また1/4周期後には外周電極112と外周電極122間に金属壁240を介しての強い電界結合が加わっている。金属壁240の直径は、外周電極112、122の直径の1.2倍以下とするのがよい。外周電極112、122と金属壁240との間隔(ギャップ)は、たとえば20mmとすることができる。外周電極112、122の外周の半径が240mmであるが、金属壁240との間隔がこれと比して十分小さい、望ましくは1/10以下であれば、中心電極と外周電極間の結合に比べて金属壁240と外周電極の結合が大であり、伝送距離延長の効果を得られる。   In the present embodiment, the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 are surrounded by the metal wall 240 so that the electric field coupling is performed between the metal pillar 240 and the metal wall 240. More specifically, strong electric field coupling is applied between the center electrode 111 and the outer peripheral electrode 122 via the metal wall 240. In addition, after 1/4 cycle, strong electric field coupling is applied between the outer peripheral electrode 112 and the outer peripheral electrode 122 through the metal wall 240. The diameter of the metal wall 240 is preferably 1.2 times or less than the diameter of the outer peripheral electrodes 112 and 122. The space | interval (gap) between the outer periphery electrodes 112 and 122 and the metal wall 240 can be 20 mm, for example. The outer peripheral radius of the outer peripheral electrodes 112 and 122 is 240 mm, but the distance from the metal wall 240 is sufficiently small compared with this, preferably 1/10 or less, compared with the coupling between the central electrode and the outer peripheral electrode. Thus, the coupling between the metal wall 240 and the outer peripheral electrode is large, and the effect of extending the transmission distance can be obtained.

本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置200では、金属支柱130に加えて金属壁240を電界結合の仲介媒体に用いていることから、金属支柱130及び金属壁240を介して送電カップラ110と受電カップラ120との間でさらに強い電界結合が実現されている。その結果、伝送効率を低下させることなく送電カップラ110と受電カップラ120との距離をさらに大きくすることができる。送電カップラ110と受電カップラ120との距離を600mmとしたときの伝送効率η21を図9に示す。図9は、横軸を周波数としたときの本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置200の伝送効率η21の変化を示している。   In the electric field resonance type wireless power transmission device 200 of the present embodiment, the metal wall 240 is used as an electric field coupling mediator in addition to the metal support 130, and therefore the power transmission coupler 110 and the metal coupler 130 are connected via the metal support 130 and the metal wall 240. Stronger electric field coupling with the power receiving coupler 120 is realized. As a result, the distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 can be further increased without reducing the transmission efficiency. FIG. 9 shows the transmission efficiency η21 when the distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is 600 mm. FIG. 9 shows a change in the transmission efficiency η21 of the electric field resonance type wireless power transmission device 200 of the present embodiment when the horizontal axis is the frequency.

図9では、図3、4と同様に、伝送効率η21に加えて反射損η11、|S11|及び|S21|を併せて示している。図9に示すように、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置200では、送電カップラ110と受電カップラ120との距離を600mmとしても、この距離を200mmとした比較例1及び距離を450mmとした第1実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100と同程度の共振周波数fcで約96%の伝送効率を実現することができる。本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置200によれば、伝送効率を低下させることなく伝送距離を比較例1の3倍まで延伸することが可能となっている。   9, in addition to the transmission efficiency η21, reflection losses η11, | S11 |, and | S21 | are also shown in the same manner as FIGS. As shown in FIG. 9, in the electric field resonance type wireless power transmission device 200 of the present embodiment, even if the distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is 600 mm, the comparative example 1 in which this distance is 200 mm and the distance is 450 mm. The transmission efficiency of about 96% can be realized at the same resonance frequency fc as the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 100 of the first embodiment. According to the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 200 of the present embodiment, it is possible to extend the transmission distance up to three times that of the first comparative example without reducing the transmission efficiency.

(第3実施形態)
本発明の第3実施形態に係る電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置を、図10を用いて説明する。図10は、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300の構成を示す斜視図である。電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300は、第2実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置200が備える金属壁240の下端と上端に、それぞれショート板351、352を設けている。
(Third embodiment)
An electric field resonance type wireless power transmission apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a perspective view showing a configuration of the electric field resonance type wireless power transmission device 300 of the present embodiment. The electric field resonance type wireless power transmission device 300 is provided with short plates 351 and 352 on the lower end and the upper end of the metal wall 240 provided in the electric field resonance type wireless power transmission device 200 of the second embodiment, respectively.

ショート板351は金属支柱130の下端と金属壁240の下端に接続されており、ショート板352は金属支柱130の上端と金属壁240の上端に接続されている。これにより、金属支柱130と金属壁240とが電気的にショートされる。ショート板351、352を設けることで、送電カップラ110及び受電カップラ120から放射される電磁波を外部に漏出させないようにすることができる。   The short plate 351 is connected to the lower end of the metal support 130 and the lower end of the metal wall 240, and the short plate 352 is connected to the upper end of the metal support 130 and the upper end of the metal wall 240. Thereby, the metal support | pillar 130 and the metal wall 240 are electrically short-circuited. By providing the short plates 351 and 352, the electromagnetic waves radiated from the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 can be prevented from leaking outside.

しかしながら、ショート板351と送電カップラ110、及びショート板352と受電カップラ120、のそれぞれの距離が近いと、それぞれの間の電界結合が強くなって送電カップラ110と受電カップラ120との間の電界結合が弱くなってしまう。その結果、送電カップラ110から受電カップラ120への電力の伝送効率が低下する。   However, when the distance between the short plate 351 and the power transmission coupler 110 and the distance between the short plate 352 and the power reception coupler 120 are short, the electric field coupling between them becomes strong, and the electric field coupling between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is achieved. Will become weaker. As a result, the power transmission efficiency from the power transmission coupler 110 to the power reception coupler 120 decreases.

そこで、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300では、ショート板351、352と送電カップラ110及び受電カップラ120との距離を、それぞれ送電カップラ110と受電カップラ120との距離の1/6以上としている。図10に示す電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300では、送電カップラ110と受電カップラ120との間の距離を第2実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置200と同じ600mmとするとともに、ショート板351、352と送電カップラ110及び受電カップラ120との間のそれぞれの距離を100mmとしている。   Therefore, in the electric field resonance type wireless power transmission device 300 of the present embodiment, the distance between the short plates 351 and 352 and the power transmission coupler 110 and the power receiving coupler 120 is equal to or more than 1/6 of the distance between the power transmission coupler 110 and the power receiving coupler 120, respectively. It is said. In the electric field resonance type wireless power transmission device 300 shown in FIG. 10, the distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is 600 mm, which is the same as that of the electric field resonance type wireless power transmission device 200 of the second embodiment, and the short plate 351. , 352 and the distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 are 100 mm.

上記のように構成された電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300の伝送効率η21を図11に示す。図11は、横軸を周波数としたときの本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300の伝送効率η21の変化を示しており、併せて反射損η11、|S11|及び|S21|を示している。本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300でも共振周波数fcにおいて約95%の伝送効率を実現しており、伝送効率を低下させることなく第2実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置200と同じ伝送距離を実現することができる。   FIG. 11 shows the transmission efficiency η21 of the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 300 configured as described above. FIG. 11 shows changes in the transmission efficiency η21 of the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 300 of this embodiment when the horizontal axis is the frequency, and also shows the reflection losses η11, | S11 |, and | S21 |. ing. The electric field resonance type wireless power transmission device 300 of this embodiment also achieves a transmission efficiency of about 95% at the resonance frequency fc, and the electric field resonance type wireless power transmission device 200 of the second embodiment without reducing the transmission efficiency. The same transmission distance can be realized.

(第4実施形態)
本発明の第4実施形態に係る電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置を、図12を用いて説明する。図12は、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置400の構成を示す断面図である。本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置400は、第3実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300と同様に、金属支柱430、金属壁440及びショート板351、352を備えている。図12は、金属支柱430の中心を通る断面で見た断面図を示している。
(Fourth embodiment)
An electric field resonance type wireless power transmission device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of the electric field resonance type wireless power transmission device 400 of the present embodiment. The electric field resonance type wireless power transmission device 400 according to the present embodiment includes a metal column 430, a metal wall 440, and short plates 351 and 352, similarly to the electric field resonance type wireless power transmission device 300 according to the third embodiment. FIG. 12 shows a cross-sectional view as seen in a cross section passing through the center of the metal support 430.

本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置400は、金属支柱430及び金属壁440の一部が切断されている点で、第3実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300と異なっている。金属支柱430及び金属壁440は、送電カップラ110と受電カップラ120とを結ぶ方向の電荷の流れを遮断するように、例えば送電カップラ110(受電カップラ120)と平行な面で切断されている。   The electric field resonance type wireless power transmission device 400 of the present embodiment is different from the electric field resonance type wireless power transmission device 300 of the third embodiment in that a part of the metal support 430 and the metal wall 440 is cut. The metal support 430 and the metal wall 440 are cut, for example, on a plane parallel to the power transmission coupler 110 (power reception coupler 120) so as to block the flow of electric charges in the direction connecting the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120.

金属支柱430及び金属壁440が切断された状態の比較例2を図13に示す。ここでは、送電カップラ110と受電カップラ120との間の伝送距離を、第3実施形態と同じ600mmとしている。金属支柱430及び金属壁440が切断されて送電カップラ110と受電カップラ120とを結ぶ方向の電荷の流れが遮断されると、電荷の流れに付随する電界の流れも遮断されることになる。その結果、第3実施形態において金属支柱130及び金属壁240により実現された伝送効率が大幅に劣化してしまう。但し、金属支柱430及び金属壁440の切断により形成されたギャップには、ギャップ幅に応じた容量が生じることから、電界結合が生じてわずかな電力伝送が行われる。   FIG. 13 shows Comparative Example 2 in a state where the metal support 430 and the metal wall 440 are cut. Here, the transmission distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is set to 600 mm as in the third embodiment. When the metal column 430 and the metal wall 440 are cut and the flow of charge in the direction connecting the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is blocked, the flow of the electric field associated with the flow of charge is also blocked. As a result, the transmission efficiency realized by the metal support 130 and the metal wall 240 in the third embodiment is significantly deteriorated. However, since a capacity corresponding to the gap width is generated in the gap formed by cutting the metal support 430 and the metal wall 440, electric field coupling occurs and slight power transmission is performed.

そこで本実施形態では、金属支柱430及び金属壁440の切断部分に、それぞれ対向させて配置した2つの結合用電極431及び2つの結合用電極441を設けている。ここでは、結合用電極431の幅を100mmとし、結合用電極441の幅を60mmとしている。結合用電極431、441を設けることで、対向する2つの結合用電極431間、及び対向する2つの結合用電極441間、のそれぞれに変位電流が流れて電荷の流れが回復する。その結果、電荷の流れに付随する電界の流れも回復して伝送効率が再び向上する。   Therefore, in the present embodiment, two coupling electrodes 431 and two coupling electrodes 441 arranged to face each other are provided at the cut portions of the metal support 430 and the metal wall 440, respectively. Here, the width of the coupling electrode 431 is 100 mm, and the width of the coupling electrode 441 is 60 mm. By providing the coupling electrodes 431 and 441, a displacement current flows between the two coupling electrodes 431 facing each other and between the two coupling electrodes 441 facing each other, so that the charge flow is recovered. As a result, the flow of the electric field accompanying the flow of electric charge is also restored and the transmission efficiency is improved again.

本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置400の伝送効率η21を図14に示す。また、結合用電極431、441を有さない比較例2の伝送効率η21を図15に示す。図14、15は、横軸を周波数としたときの伝送効率η21の変化を示しており、併せて反射損η11、|S11|及び|S21|を示している。図15に示す結合用電極431、441を有さない比較例2では、共振周波数fcにおける伝送効率が約9.8%と大幅に劣化している。   FIG. 14 shows the transmission efficiency η21 of the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 400 of the present embodiment. FIG. 15 shows the transmission efficiency η21 of Comparative Example 2 that does not have the coupling electrodes 431 and 441. 14 and 15 show changes in transmission efficiency η21 when the horizontal axis is frequency, and also show reflection losses η11, | S11 |, and | S21 |. In Comparative Example 2 that does not include the coupling electrodes 431 and 441 illustrated in FIG. 15, the transmission efficiency at the resonance frequency fc is significantly degraded to about 9.8%.

これに対し本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置400では、結合用電極431、441を設けるとともに、送電カップラ110と受電カップラ120との間の伝送距離を300mmとすることにより、図14に示すように、共振周波数fcにおける伝送効率が約95%に回復している。伝送距離は、第3実施形態に比べて短くする必要があるが、金属支柱130及び金属壁240を有さない比較例1に比べて、伝送距離は1.5倍程度に延伸されている。   On the other hand, in the electric field resonance type wireless power transmission device 400 of the present embodiment, the coupling electrodes 431 and 441 are provided, and the transmission distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is set to 300 mm, so that FIG. As shown, the transmission efficiency at the resonance frequency fc is restored to about 95%. Although the transmission distance needs to be shorter than that in the third embodiment, the transmission distance is extended by about 1.5 times as compared with Comparative Example 1 that does not include the metal support 130 and the metal wall 240.

なお、上記では本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置400の金属支柱430と金属壁440の両方が切断されているとしたが、これに限定されず、いずれか一方のみが切断されているものであってもよい。また、第3実施形態と同様にショート板351、352を備えるものとしたが、これに限定されず、第2実施形態のようにョート板351、352を備えないものであってもよい。   In the above description, both the metal support 430 and the metal wall 440 of the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 400 of the present embodiment are cut. However, the present invention is not limited to this, and only one of them is cut. It may be a thing. Although the short plates 351 and 352 are provided as in the third embodiment, the present invention is not limited to this, and the short plates 351 and 352 may not be provided as in the second embodiment.

(第5実施形態)
本発明の第5実施形態に係る電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置を、図16を用いて説明する。図16は、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置500の構成を示す斜視図である。電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置500は、第3実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300の金属支柱130及び金属壁240を湾曲させた形状を有している。
(Fifth embodiment)
An electric field resonance type wireless power transmission apparatus according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a perspective view showing the configuration of the electric field resonance type wireless power transmission device 500 of this embodiment. The electric field resonance type wireless power transmission device 500 has a shape in which the metal column 130 and the metal wall 240 of the electric field resonance type wireless power transmission device 300 of the third embodiment are curved.

本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置500では、曲率半径R=300mmで湾曲させた金属支柱530及び金属壁540を用いることで、送電カップラ110と受電カップラ120とを略90°の角度で配置している。また、金属壁540の下端と上端には、第3実施形態と同様にショート板351、352をそれぞれ備えている。本実施形態では、送電カップラ110と受電カップラ120とを90°に限らず所定の角度で配置することが可能であり、これにより例えば所定の角度の回転面上で回転する回転体に対して、ワイヤレスで電力を供給することが可能となる。   In the electric field resonance type wireless power transmission device 500 according to the present embodiment, the metal support 530 and the metal wall 540 curved with a radius of curvature R = 300 mm are used so that the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 are at an angle of approximately 90 °. It is arranged. In addition, short plates 351 and 352 are provided at the lower end and the upper end of the metal wall 540, respectively, as in the third embodiment. In the present embodiment, the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 can be arranged at a predetermined angle, not limited to 90 °, and thereby, for example, a rotating body that rotates on a rotation surface at a predetermined angle, It becomes possible to supply power wirelessly.

本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置500では、送電カップラ110と受電カップラ120とを略90°の角度で配置したことにより、送電カップラ110と受電カップラ120との間の伝送距離を第3実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300と同じにすると伝送効率が低下する。電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300と同程度の高い伝送効率を実現するためには、送電カップラ110と受電カップラ120との間の伝送距離を約480mmとするのがよい。もちろんこれより短くしても良好な伝送特性が得られるが、金属筐体の物理的な形成が難しくなる。仮に金属支柱を除去した場合は伝送特性は大幅に劣化する。なお、本実施形態では送電カップラ110と受電カップラ120との間の伝送距離を、金属支柱530が各カップラ面と交差する2点間の長さとしている。   In the electric field resonance type wireless power transmission device 500 of the present embodiment, the transmission distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is set to the third by arranging the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 at an angle of approximately 90 °. If it is made the same as the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 300 of the embodiment, the transmission efficiency is lowered. In order to achieve the same high transmission efficiency as that of the electric field resonance type wireless power transmission device 300, the transmission distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is preferably about 480 mm. Of course, even if it is shorter than this, good transmission characteristics can be obtained, but physical formation of the metal casing becomes difficult. If the metal support is removed, the transmission characteristics are greatly degraded. In this embodiment, the transmission distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 is the length between two points where the metal support 530 intersects each coupler surface.

伝送距離を約480mmとした本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置500の伝送効率η21を図17に示す。図17は、横軸を周波数としたときの本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置400の伝送効率η21の変化を示しており、併せて反射損η11、|S11|及び|S21|を示している。本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置500では、伝送距離を約480mmとすることで共振周波数fcにおいて約96%の伝送効率を実現している。高い伝送効率を実現するために、伝送距離を第3実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置300より短くする必要があるものの、図2に示した金属支柱等を有さない比較例1の伝送距離の約2.4倍まで延伸することが可能となっている。   FIG. 17 shows the transmission efficiency η21 of the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 500 of this embodiment in which the transmission distance is about 480 mm. FIG. 17 shows changes in the transmission efficiency η21 of the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 400 of the present embodiment when the horizontal axis is the frequency, and also shows the reflection losses η11, | S11 |, and | S21 |. ing. In the electric field resonance type wireless power transmission device 500 of this embodiment, the transmission efficiency is about 96% at the resonance frequency fc by setting the transmission distance to about 480 mm. Although the transmission distance needs to be shorter than the electric field resonance type wireless power transmission device 300 of the third embodiment in order to realize high transmission efficiency, the transmission of the comparative example 1 that does not have the metal support shown in FIG. It is possible to stretch up to about 2.4 times the distance.

なお、上記では本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置500が第3実施形態と同様にショート板351、352を備えるものとしたが、これに限定されず、第2実施形態のようにョート板351、352を備えないものであってもよい。   In the above description, the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 500 according to the present embodiment is provided with the short plates 351 and 352 as in the third embodiment. The plates 351 and 352 may not be provided.

(第6実施形態)
本発明の第6実施形態に係る電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置を、図18を用いて説明する。図18は、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置600の構成を示す斜視図である。電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置600は、第1実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100の送電カップラ110及び受電カップラ120に切欠き部を形成した構造を有している。なお、以下の説明は、送電カップラ110と受電カップラ120のいずれか一方のみに切欠き部が形成されている場合でも同様である。
(Sixth embodiment)
An electric field resonance type wireless power transmission device according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 18 is a perspective view showing the configuration of the electric field resonance type wireless power transmission device 600 of this embodiment. The electric field resonance type wireless power transmission device 600 has a structure in which notches are formed in the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 of the electric field resonance type wireless power transmission device 100 of the first embodiment. In addition, the following description is the same even when the notch part is formed only in any one of the power transmission coupler 110 and the power receiving coupler 120. FIG.

図18に示す電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置600では、送電カップラ610の中心電極611及び外周電極612のそれぞれに、半径方向に幅5mmの切欠き部611a、612aが形成されている。同様に受電カップラ620でも、中心電極621及び外周電極622のそれぞれに、半径方向に幅5mmの切欠き部621a、622aが形成されている。各切欠き部の半径方向の向きは、送電カップラ610と受電カップラ620とで異なっていてよく、また中心電極611と外周電極612との間及び中心電極621と外周電極622との間でも異なっていてよい。   In the electric field resonance type wireless power transmission device 600 shown in FIG. 18, notches 611a and 612a having a width of 5 mm in the radial direction are formed on the center electrode 611 and the outer peripheral electrode 612 of the power transmission coupler 610, respectively. Similarly, in the power receiving coupler 620, notches 621 a and 622 a having a width of 5 mm are formed in the radial direction in each of the center electrode 621 and the outer peripheral electrode 622. The radial direction of each notch may be different between the power transmission coupler 610 and the power reception coupler 620, and also different between the center electrode 611 and the outer peripheral electrode 612 and between the center electrode 621 and the outer peripheral electrode 622. It's okay.

また、比較のために、図2に示した比較例1の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置90の送電カップラ110及び受電カップラ120のそれぞれに、電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置600と同様の切欠き部を形成した比較例3の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置90’を図19に示す。   For comparison, notch portions similar to those of the electric field resonance type wireless power transmission device 600 are provided in each of the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 of the electric field resonance type wireless power transmission device 90 of the first comparative example shown in FIG. FIG. 19 shows an electric field resonance type wireless power transmission device 90 ′ of Comparative Example 3 in which is formed.

切欠き部を形成した本実施形態の送電カップラ610及び受電カップラ620を用いたときの伝送効率η21を図20に示す。図20は、横軸を周波数としたときの本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置600の伝送効率η21の変化を示しており、併せて反射損η11、|S11|及び|S21|を示している。また、比較のために、比較例3の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置90’の伝送効率η21を図21に示す。   FIG. 20 shows the transmission efficiency η21 when using the power transmission coupler 610 and the power reception coupler 620 of the present embodiment in which the notch is formed. FIG. 20 shows changes in the transmission efficiency η21 of the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 600 of the present embodiment when the horizontal axis is the frequency, and also shows reflection losses η11, | S11 |, and | S21 |. ing. For comparison, FIG. 21 shows the transmission efficiency η21 of the electric field resonance type wireless power transmission device 90 'of the third comparative example.

図20より、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置600でも、共振周波数fcにおける伝送効率が第1実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100と同程度の約96%を実現している。これより、伝送効率を低下させることなく送電カップラ及び受電カップラに切欠き部を形成することが可能であることが示されている。また、図21に示す比較例3の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置90’の伝送効率η21でも、切欠き部を有さないときの伝送効率を示す図4とほぼ同程度の約96%が得られている。   From FIG. 20, also in the electric field resonance type wireless power transmission device 600 of this embodiment, the transmission efficiency at the resonance frequency fc is about 96%, which is the same as that of the electric field resonance type wireless power transmission device 100 of the first embodiment. . From this, it is shown that a notch can be formed in the power transmission coupler and the power reception coupler without reducing the transmission efficiency. Also, the transmission efficiency η21 of the electric field resonance type wireless power transmission device 90 ′ of Comparative Example 3 shown in FIG. 21 is about 96%, which is almost the same as FIG. 4 showing the transmission efficiency when there is no notch. It has been.

(第7実施形態)
本発明の第7実施形態に係る電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置を、図22を用いて説明する。図22は、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置700(700a及び700b)の構成を示す斜視図である。本実施形態では、送受カップラの形状が第1乃至第6実施形態のものと異なっている。本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置700の送電カップラ710及び受電カップラ720は、それぞれ矩形形状の金属板を同一平面上に2つ平行に配列して形成されている。送電カップラ710は、矩形電極711、712を備え、それぞれにインダクタ713、714が接続されている。また受電カップラ720は、矩形電極721、722を備え、それぞれにインダクタ723、724が接続されている。
(Seventh embodiment)
An electric field resonance type wireless power transmission device according to a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 22 is a perspective view showing the configuration of the electric field resonance type wireless power transmission device 700 (700a and 700b) of the present embodiment. In the present embodiment, the shape of the transmission / reception coupler is different from that of the first to sixth embodiments. The power transmission coupler 710 and the power reception coupler 720 of the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 700 of this embodiment are each formed by arranging two rectangular metal plates in parallel on the same plane. The power transmission coupler 710 includes rectangular electrodes 711 and 712, to which inductors 713 and 714 are connected, respectively. The power receiving coupler 720 includes rectangular electrodes 721 and 722, to which inductors 723 and 724 are connected, respectively.

図22に示す電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置700では、送電カップラ710及び受電カップラ720の寸法を250mm×250mmとしており、矩形電極711と712との間、及び矩形電極721と722との間に、それぞれ34mmの間隙を設けている。   In the electric field resonance type wireless power transmission device 700 shown in FIG. 22, the dimensions of the power transmission coupler 710 and the power reception coupler 720 are 250 mm × 250 mm, and between the rectangular electrodes 711 and 712 and between the rectangular electrodes 721 and 722, Each has a gap of 34 mm.

矩形電極711、712を備えた送電カップラ710及び矩形電極721、722を備えた受電カップラ720は、ともに軸対称性を有していない。しかし、矩形電極は第6実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置600の送受電カップラに形成された切欠き部を大きくしたものに類似すると考えられる。従って、矩形電極を用いた送受電カップラの近傍に金属板を配置することで送受電カップラ間の伝送距離を延伸できることが、第6実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置600から推定できる。   Both the power transmission coupler 710 provided with the rectangular electrodes 711 and 712 and the power receiving coupler 720 provided with the rectangular electrodes 721 and 722 do not have axial symmetry. However, it is considered that the rectangular electrode is similar to the rectangular electrode having a larger notch formed in the power transmission / reception coupler of the electric field resonance type wireless power transmission device 600 of the sixth embodiment. Therefore, it can be estimated from the electric field resonance type wireless power transmission device 600 of the sixth embodiment that the transmission distance between the power transmission / reception couplers can be extended by arranging the metal plate in the vicinity of the power transmission / reception coupler using the rectangular electrodes.

そこで、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置700では、送電カップラ710及び受電カップラ720に近接させて金属板760を配置している。図22(a)に示す電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置700aでは、送電カップラ710の一方の矩形電極711(または712)の他方の矩形電極712(又は711)とは反対側の辺、及び受電カップラ720の一方の矩形電極721(または722)の他方の矩形電極722(又は721)とは反対側の辺に、金属板760を近接させて配置している。また、図22(b)に示す電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置700bでは、送電カップラ710及び受電カップラ720の両側に、金属板760を2枚配置している。送電カップラ710及び受電カップラ720の幅は250mmであるが、カップラと金属板760との距離は、これと比して十分小さい、望ましくは1/10以下であれば、送電カップラの矩形電極711と712間の電界の結合、あるいは受電カップラの矩形電極721と722間の電界の結合に比べて金属板と矩形電極の結合が大であり、伝送距離延長の効果が得られる。   Therefore, in the electric field resonance type wireless power transmission device 700 of this embodiment, the metal plate 760 is disposed in the vicinity of the power transmission coupler 710 and the power reception coupler 720. In the electric field resonance type wireless power transmission device 700a shown in FIG. 22A, the side opposite to the other rectangular electrode 712 (or 711) of one rectangular electrode 711 (or 712) of the power transmission coupler 710, and the power receiving coupler A metal plate 760 is disposed close to the side opposite to the other rectangular electrode 722 (or 721) of one rectangular electrode 721 (or 722) of 720. Further, in the electric field resonance type wireless power transmission device 700b shown in FIG. 22B, two metal plates 760 are arranged on both sides of the power transmission coupler 710 and the power reception coupler 720. The width of the power transmission coupler 710 and the power reception coupler 720 is 250 mm. However, if the distance between the coupler and the metal plate 760 is sufficiently smaller than this, preferably 1/10 or less, the rectangular electrode 711 of the power transmission coupler Compared to the coupling of the electric field between 712 or the coupling of the electric field between the rectangular electrodes 721 and 722 of the power receiving coupler, the coupling between the metal plate and the rectangular electrode is large, and the effect of extending the transmission distance can be obtained.

これに対し、矩形電極からなる送電カップラ及び受電カップラのみを備えて金属板760を備えない電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置を、比較例4として図23に示す。比較例4の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置では、送電カップラ710と受電カップラ720との間の伝送距離を200mmとしたときに高い伝送効率が得られる。   On the other hand, an electric field resonance type wireless power transmission apparatus that includes only a power transmission coupler and a power reception coupler made of rectangular electrodes and does not include a metal plate 760 is illustrated in FIG. In the electric field resonance type wireless power transmission device of Comparative Example 4, high transmission efficiency can be obtained when the transmission distance between the power transmission coupler 710 and the power reception coupler 720 is 200 mm.

本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置700では、金属板760を備えることにより、送電カップラ710と受電カップラ720との間の伝送距離を比較例4より延伸することができる。図22(a)に示す電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置700aでは、伝送距離を比較例4の約1.5倍に相当する300mmに延伸することができ、図22(b)に示す電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置700bでは、伝送距離を比較例4の約3.5倍に相当する700mmに延伸することができる。   In the electric field resonance type wireless power transmission device 700 of the present embodiment, by providing the metal plate 760, the transmission distance between the power transmission coupler 710 and the power reception coupler 720 can be extended as compared with the comparative example 4. In the electric field resonance type wireless power transmission device 700a shown in FIG. 22 (a), the transmission distance can be extended to 300 mm corresponding to about 1.5 times that of the comparative example 4, and the electric field resonance type shown in FIG. In the wireless power transmission device 700b, the transmission distance can be extended to 700 mm corresponding to about 3.5 times that of the fourth comparative example.

伝送距離を上記のように設定したときの本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置700a、700b及び比較例4の伝送効率η21を、それぞれ図24、25に示す。図24、25は、横軸を周波数としたときの伝送効率η21の変化を示しており、併せて反射損η11、|S11|及び|S21|を示している。図24、25より、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置700a、700b、及び比較例4とも、約95%の伝送効率を実現している。本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置700a、700bは、同じ伝送効率で比較例4の約1.5〜3.5倍まで伝送距離を延伸することができる。   24 and 25 show the transmission efficiencies η21 of the electric field resonance type wireless power transmission apparatuses 700a and 700b and the comparative example 4 of the present embodiment when the transmission distance is set as described above. 24 and 25 show changes in transmission efficiency η21 when the horizontal axis is frequency, and also show reflection losses η11, | S11 |, and | S21 |. 24 and 25, the electric field resonance type wireless power transmission apparatuses 700a and 700b and the comparative example 4 of the present embodiment achieve a transmission efficiency of about 95%. The electric field resonance type wireless power transmission apparatuses 700a and 700b of the present embodiment can extend the transmission distance up to about 1.5 to 3.5 times that of Comparative Example 4 with the same transmission efficiency.

(第8実施形態)
本発明の第8実施形態に係る電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置を、図26を用いて説明する。図26は、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置800の構成を示す斜視図である。本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置800は、第1実施形態と同様に送電カップラ110、受電カップラ120及び金属支柱130を備えている。金属支柱130を備えることで送電カップラ110と受電カップラ120との間の伝送距離を延伸することができるが、本実施形態ではさらに中継カップラ870を備えており、これにより伝送距離をさらに延伸することが可能となっている。
(Eighth embodiment)
An electric field resonance type wireless power transmission device according to an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 26 is a perspective view showing the configuration of the electric field resonance type wireless power transmission device 800 of this embodiment. The electric field resonance type wireless power transmission device 800 of this embodiment includes a power transmission coupler 110, a power reception coupler 120, and a metal column 130, as in the first embodiment. Although the transmission distance between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120 can be extended by providing the metal support 130, the present embodiment further includes a relay coupler 870, thereby further extending the transmission distance. Is possible.

中継カップラ870は、中心電極871と外周電極872を有しており、それぞれにインダクタ873、874が接続されている。中継カップラ870では、インダクタ873と874との間がショートされている。中継カップラ870の中心電極871、外周電極872及びインダクタ873、874は、送電カップラ110及び受電カップラ120のそれぞれと同じ寸法とすることができる。中継カップラ870を送電カップラ110と受電カップラ120との間に配置し、中心電極111、121、及び871のそれぞれに形成された貫通孔に金属支柱130を貫通させることにより、伝送距離を第1実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100よりさらに延伸することができる。   The relay coupler 870 has a center electrode 871 and an outer peripheral electrode 872, and inductors 873 and 874 are connected to each of them. In the relay coupler 870, the inductors 873 and 874 are short-circuited. The center electrode 871, the outer peripheral electrode 872, and the inductors 873 and 874 of the relay coupler 870 can have the same dimensions as the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120, respectively. The relay coupler 870 is disposed between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120, and the metal struts 130 are passed through the through holes formed in the center electrodes 111, 121, and 871, respectively. The electric field resonance type wireless power transmission apparatus 100 can be further extended.

本実施形態では、送電カップラ110と中継カップラ870との間の伝送距離、及び中継カップラ870と受電カップラ120との間の伝送距離、をそれぞれ450mmとしており、送電カップラ110と受電カップラ120との間の伝送距離を、第1実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100の伝送距離のさらに2倍の900mmに延伸することができる。本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置800の伝送効率η21を図27に示す。図27は、横軸を周波数としたときの本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置800の伝送効率η21の変化を示しており、併せて反射損η11、|S11|及び|S21|を示している。   In the present embodiment, the transmission distance between the power transmission coupler 110 and the relay coupler 870 and the transmission distance between the relay coupler 870 and the power reception coupler 120 are each 450 mm, and between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120. The transmission distance can be extended to 900 mm, which is twice as long as the transmission distance of the electric field resonance type wireless power transmission device 100 of the first embodiment. FIG. 27 shows the transmission efficiency η21 of the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 800 of this embodiment. FIG. 27 shows changes in the transmission efficiency η21 of the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 800 of the present embodiment when the horizontal axis is frequency, and also shows reflection losses η11, | S11 |, and | S21 |. ing.

図27に示すように、本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置800では、伝送距離を900mmまで大幅に延伸しても約92%の高い伝送効率を実現することが可能となっている。   As shown in FIG. 27, in the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 800 of this embodiment, it is possible to realize a high transmission efficiency of about 92% even if the transmission distance is greatly extended to 900 mm.

なお、上記では第1実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置100に中継カップラ870を追加した構成について説明したが、これに限定されず、他の実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置に同様の中継カップラを追加することも可能である。例えば、送電カップラ110、受電カップラ120及び中継カップラ870を取り囲むように金属壁を設けてもよく、金属壁の上下端にショート板を設けてもよい。あるいは、金属支柱と金属壁を湾曲させてもよい。さらには、送受電カップラ及び中継カップラに矩形電極を用いてもよい。中継カップラは、上記いずれの実施形態においても適用可能である。   In addition, although the structure which added the relay coupler 870 to the electric field resonance type | mold wireless power transmission apparatus 100 of 1st Embodiment was demonstrated above, it is not limited to this, It is the same as that of the electric field resonance type wireless power transmission apparatus of other embodiment. It is also possible to add a relay coupler. For example, a metal wall may be provided so as to surround the power transmission coupler 110, the power reception coupler 120, and the relay coupler 870, and short plates may be provided at the upper and lower ends of the metal wall. Alternatively, the metal support and the metal wall may be curved. Furthermore, you may use a rectangular electrode for a power transmission / reception coupler and a relay coupler. The relay coupler can be applied to any of the above embodiments.

中継カップラ870は、送電カップラ110と受電カップラ120との中間位置に配置する必要は必ずしもなく、例えば中間位置から所定の範囲で上下に移動させるようにすることも可能である。本実施形態の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置800を作業ロボットに適用した一例を図28に示す。図示されていないが、受電カップラ120は誘電体等の台で支持され、カップラの先には整流器、DC−DCコンバータ、モーターが接続されている。受電カップラ120には把持用アーム51が設置されている。モーターの回転に伴い受電カップラ120は回転し、把持用アーム51も回転する。更にモーターの回転はギア、カム等を通じ把持用アーム51の駆動に利用されている。これにより把持用アーム51は受電カップラ120から一定距離以内の任意の物体を把持することが可能となる。   The relay coupler 870 is not necessarily arranged at an intermediate position between the power transmission coupler 110 and the power reception coupler 120, and can be moved up and down within a predetermined range from the intermediate position, for example. An example in which the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 800 of this embodiment is applied to a work robot is shown in FIG. Although not shown, the power receiving coupler 120 is supported by a base such as a dielectric, and a rectifier, a DC-DC converter, and a motor are connected to the end of the coupler. The power receiving coupler 120 is provided with a gripping arm 51. As the motor rotates, the power receiving coupler 120 rotates and the gripping arm 51 also rotates. Furthermore, the rotation of the motor is used to drive the gripping arm 51 through gears, cams, and the like. As a result, the gripping arm 51 can grip an arbitrary object within a certain distance from the power receiving coupler 120.

同様に中継カップラ870は、誘電体等の台で支持され、カップラには整流器、DC−DCコンバータ、モーターが接続されている。中継カップラ870には溶接用アーム52とねじ締め用アーム53が設置されている。モーターの回転に伴い中継カップラ870は回転し、溶接用アーム52とねじ締め用アーム53も回転する。また、モーターの回転をギア、カム等を通じ上下駆動力に変換することで、中継カップラ870及び溶接用アーム52とねじ締め用アーム53を上下に駆動させることができる。更にモーターの回転は溶接用アーム52とねじ締め用アーム53の駆動に利用されている。これらにより溶接用アーム52とねじ締め用アーム53は中継カップラ870の回転、上下移動可能領域から一定距離以内の任意の物体に対して溶接、ねじ締めの作業を行うことができる。   Similarly, the relay coupler 870 is supported by a base such as a dielectric, and a rectifier, a DC-DC converter, and a motor are connected to the coupler. The relay coupler 870 is provided with a welding arm 52 and a screw fastening arm 53. As the motor rotates, the relay coupler 870 rotates, and the welding arm 52 and the screw fastening arm 53 also rotate. Also, the relay coupler 870, the welding arm 52, and the screw fastening arm 53 can be driven up and down by converting the rotation of the motor into a vertical driving force through a gear, a cam or the like. Further, the rotation of the motor is used to drive the welding arm 52 and the screw fastening arm 53. As a result, the welding arm 52 and the screw tightening arm 53 can perform welding and screw tightening operations on an arbitrary object within a certain distance from the region in which the relay coupler 870 can rotate and move vertically.

このような作業ロボットは従来はケーブルでモーターに電力を送っていたが、ケーブルを使用した場合ケーブルの取り回し、よじれ耐性などから可動域に制約を受ける。本構成であればケーブルによる稼働の制約は全く無くなり無くなり、作業領域を大幅に拡大させることができる。尚、中継カップラ870に給電するときは、受電カップラ120の出力端子はオープンとすることで、送電側カップラ110の出力を効率よく中継カップラ870に送ることが出来る。   Conventionally, such work robots have used a cable to send electric power to the motor. However, when a cable is used, the range of motion is limited due to cable handling and kinking resistance. With this configuration, there are no restrictions on operation due to cables, and the work area can be greatly expanded. When supplying power to the relay coupler 870, the output terminal of the power receiving coupler 120 is open, so that the output of the power transmission side coupler 110 can be efficiently sent to the relay coupler 870.

また、本実施形態の別の実施例として、電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置800においてカップラを矩形型とし作業用リフトに適用した例を図29に示す。図示されていないが、受電カップラ720は誘電体等の台で支持され、カップラの先には整流器、DC−DCコンバータ、モーターが接続されている。モーターの回転はギア、カム等を通じ受電カップラ720即ち台の上下の駆動に利用されている。即ち台の上に荷物を置き荷物を上下方向に移動させることが可能となる。同様に中継カップラ870は誘電体等の台で支持され、カップラには整流器、DC−DCコンバータ、モーターが接続されている。モーターの回転はギア、カム等を通じ中継カップラ870即ち台の上下の駆動に利用されている。即ち台の上に荷物を置き荷物を上下方向に移動させることが可能となる。このような作業用リフトには一般に有線ケーブルが伴うが、本構成であればケーブルの取り回しに伴うリフトの可動範囲の制約から解放される。尚、中継カップラ870に給電するときは、受電カップラ720の出力端子はオープンとすることで、送電側カップラ710の出力を効率よく中継カップラ870に送ることが出来る。   As another example of the present embodiment, FIG. 29 shows an example in which the coupler is rectangular in the electric field resonance type wireless power transmission apparatus 800 and applied to a work lift. Although not shown, the power receiving coupler 720 is supported by a base such as a dielectric, and a rectifier, a DC-DC converter, and a motor are connected to the end of the coupler. The rotation of the motor is used to drive the power receiving coupler 720, that is, the top and bottom of the table through gears, cams and the like. That is, it is possible to place a load on the table and move the load in the vertical direction. Similarly, the relay coupler 870 is supported by a base such as a dielectric, and a rectifier, a DC-DC converter, and a motor are connected to the coupler. The rotation of the motor is used for driving the relay coupler 870, that is, up and down the base through gears, cams and the like. That is, it is possible to place a load on the table and move the load in the vertical direction. Such a work lift is generally accompanied by a wired cable, but with this configuration, it is freed from restrictions on the movable range of the lift associated with the handling of the cable. When power is supplied to the relay coupler 870, the output terminal of the power receiving coupler 720 is open, so that the output of the power transmission side coupler 710 can be efficiently sent to the relay coupler 870.

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。   In addition, the description in this Embodiment shows an example of the electric field resonance type | mold wireless electric power transmission apparatus which concerns on this invention, and is not limited to this. The detailed configuration, detailed operation, and the like of the electric field resonance type wireless power transmission device in the present embodiment can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

100、200、300、400、500、600、700、800 電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置
110、610、710 送電カップラ
111、121、611、621、871 中心電極
111a、121a 貫通孔
112、122、612、622、872 外周電極
113、114、123、124、713、714、723、724、873、874 インダクタ
120、620、720 受電カップラ
130、430、530 金属支柱
240,440、540 金属壁
351、352 ショート板
431、441 結合用電極
611a、612a、621a、622a 切欠き部
711、712、721、722 矩形電極
760 金属板
870 中継カップラ
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 Field resonance type wireless power transmission device 110, 610, 710 Power transmission coupler 111, 121, 611, 621, 871 Center electrode 111a, 121a Through hole 112, 122, 612 , 622, 872 Peripheral electrodes 113, 114, 123, 124, 713, 714, 723, 724, 873, 874 Inductors 120, 620, 720 Power receiving couplers 130, 430, 530 Metal columns 240, 440, 540 Metal walls 351, 352 Short plate 431, 441 Coupling electrode 611a, 612a, 621a, 622a Notch 711, 712, 721, 722 Rectangular electrode 760 Metal plate 870 Relay coupler

Claims (9)

2つの電極と前記2つの電極に直列に接続されたインダクタとをそれぞれ有する送電カップラ及び受電カップラと、
所定の離隔距離を設けて前記送電カップラと前記受電カップラとに近接させて配置された導電体と、を備え
前記2つの電極は、中心に配置された中心電極と該中心電極の外周に離隔して配置された外周電極とからなり、
前記導電体は、円柱状に形成された金属支柱であり、
前記送電カップラ及び前記受電カップラのそれぞれの前記中心電極の中心に円形状の貫通孔が形成されて前記金属支柱が非接触に貫通されている
ことを特徴とする電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置。
A power transmission coupler and a power reception coupler each having two electrodes and an inductor connected in series to the two electrodes;
With a predetermined distance and a conductor which is disposed close to said power receiving coupler and the power coupler,
The two electrodes are composed of a central electrode arranged at the center and an outer peripheral electrode arranged apart from the outer circumference of the central electrode,
The conductor is a metal column formed in a columnar shape,
An electric field resonance type wireless power transmission device , wherein a circular through hole is formed at the center of each of the center electrodes of the power transmission coupler and the power receiving coupler, and the metal support is penetrated in a non-contact manner .
前記送電カップラ及び前記受電カップラのそれぞれの前記外周電極に所定の離隔距離を設けて配置された金属壁をさらに備え、
前記金属壁の直径が外周電極の直径の1.2倍以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置。
A metal wall disposed at a predetermined separation distance on the outer peripheral electrode of each of the power transmission coupler and the power reception coupler;
2. The electric field resonance type wireless power transmission device according to claim 1, wherein the diameter of the metal wall is 1.2 times or less of the diameter of the outer peripheral electrode.
前記金属壁の前記送電カップラ側の端部及び前記受電カップラ側の端部のそれぞれにショート板が設けられて前記金属支柱の両端部が接続され、
前記送電カップラと近接する前記ショート板との距離、及び前記受電カップラと近接する前記ショート板との距離、がそれぞれ前記送電カップラと前記受電カップラとの距離の1/6以上である
ことを特徴とする請求項2に記載の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置。
A short plate is provided on each of the end on the power transmission coupler side of the metal wall and the end on the power reception coupler side, and both ends of the metal support are connected,
The distance between the power transmission coupler and the short board adjacent to the power transmission coupler and the distance between the power reception coupler and the short board adjacent to each other are each 1/6 or more of the distance between the power transmission coupler and the power reception coupler. The electric field resonance type wireless power transmission device according to claim 2.
前記金属支柱及び/または前記金属壁が切断されて前記送電カップラ側と前記受電カップラ側とに分離され、
前記切断された両端部に容量結合させるための電極が設けられている
ことを特徴とする請求項2または3に記載の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置。
The metal strut and / or the metal wall is cut and separated into the power transmission coupler side and the power receiving coupler side;
4. The electric field resonance type wireless power transmission device according to claim 2, wherein electrodes for capacitive coupling are provided at both ends of the cut.
前記送電カップラと前記受電カップラとが所定の角度で配置されるように、前記金属支柱及び前記金属壁が湾曲されている
ことを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置。
The electric field according to any one of claims 2 to 4, wherein the metal column and the metal wall are curved so that the power transmission coupler and the power reception coupler are arranged at a predetermined angle. Resonance type wireless power transmission device.
前記送電カップラ及び/または前記受電カップラの前記中心電極及び前記外周電極に、半径方向の切欠き部が形成されている
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置。
The electric field resonance according to any one of claims 1 to 4, wherein a notch in a radial direction is formed in the central electrode and the outer peripheral electrode of the power transmission coupler and / or the power reception coupler. Type wireless power transmission device.
2つの電極と前記2つの電極に直列に接続されたインダクタとをそれぞれ有する送電カップラ及び受電カップラと、
所定の離隔距離を設けて前記送電カップラと前記受電カップラとに近接させて配置された導電体と、を備え、
前記2つの電極は、矩形状に形成されて平行に配列され、
前記導電体は、前記送電カップラ及び前記受電カップラのそれぞれの前記2つの電極の対向する辺とは反対側の辺の一方または両方に所定の離隔距離を設けて配置された金属板であり、
前記金属板は、前記送電カップラの一方の電極と、前記受電カップラの一方の電極とに電界結合する様に、これらの電極が対向する方向に沿って配される
ことを特徴とする電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置。
A power transmission coupler and a power reception coupler each having two electrodes and an inductor connected in series to the two electrodes;
A conductor that is disposed close to the power transmission coupler and the power reception coupler with a predetermined separation distance; and
The two electrodes are formed in a rectangular shape and arranged in parallel,
The conductor is Ri metal plate der disposed with a predetermined distance to one or both of the opposite sides to the opposite sides of each of the two electrodes of the power coupler and the power receiving coupler,
The metal plate is disposed along a direction in which these electrodes face each other so as to be coupled to one electrode of the power transmission coupler and one electrode of the power reception coupler. Wireless power transmission device.
前記送電カップラ及び前記受電カップラと前記金属板との距離が、前記送電カップラと前記受電カップラの幅の0.1倍以下である
ことを特徴とする請求項7に記載の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置。
8. The electric field resonance type wireless power transmission according to claim 7, wherein a distance between the power transmission coupler and the power reception coupler and the metal plate is not more than 0.1 times a width of the power transmission coupler and the power reception coupler. 9. apparatus.
前記送電カップラと前記受電カップラとの間に、前記送電カップラ及び前記受電カップラと同じ形状の前記2つの電極及び前記インダクタを有する中継カップラが配置される
ことを特徴とする請求項7または8に記載の電界共鳴型ワイヤレス電力伝送装置。
Between the power coupler and the power receiving coupler, according to claim 7 or 8, characterized in that the relay coupler is disposed with the two electrodes and the inductor having the same shape as the power coupler and the power receiving coupler Electric field resonance type wireless power transmission device.
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