JP7307933B2 - 送受電器およびそれを用いる無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、高周波を送電する送電器およびそれを用いる無線電力伝送システムに関するものである。特に、金属体や絶縁体などの障害物を有する金属で囲われた配管やエンジンルーム、工場内部などに設置されたセンサ等へ無線で電力を供給、情報を送受信するための構造および電子機器に関する。

金属体や絶縁体などの障害物を有する金属で囲われた場所への無線電力伝送システムは、金属の遮蔽効果を利用して遮蔽構造内に電磁界を閉じ込める共振現象を利用して送受電する。

例えば、非特許文献１では、金属壁によって全体が包囲され、電磁波が遮蔽された構造体と、該構造体の内部に設置された金棒からなる1つの送電器と、金属棒の円状に複数回巻いた1つの受電器とを備え、送電部は、構造体自体を導波路共振器と想定する場合における共振周波数による電磁波を送信し、その共振周波数で共振するように設計された受電器を有する無線電力伝送システムが開示されている。

このような従来の無線電力伝送システムでは、高い電力伝送効率を実現するために送電器の構造は金属棒を垂直に配置したモノポール型の構造となっており、遮蔽構造体内の装置や設備などの配置に制限が生じる。受電器は円状に複数回巻いたコイル型の小型共振器を用いているが、小型化により電力伝送効率が１０％を下回っている。

H. Mei, K. A. Thanckston, R. A. Bercich, J. G. R. Jefferys, and P. P. Irazoqui, "Cavity Resonator wireless power transfer system for freely moving animal experiments," IEEE Biomed. Eng., vol. PP, no. 99, pp. 1-1 June 2016.

従来の無線電力伝送システムでは、共振器に見立てた遮蔽構造内に電磁波の定在波を効率よく励振するべく、モノポール型の送電器を使用することで容量性結合素子を実現していた。モノポール型の送電器ではその長さを調整することで容量性結合素子の値を調整できるため、送電器と共振器に見立てた遮蔽構造のインピーダンスを整合しやすい反面、送電器長が共振周波数の１／８程度の長さとなり、金属体や絶縁体を有する金属で囲われた配管やエンジンルーム、工場内部などにおける装置等の配置に制限が生じる。さらに、遮蔽構造内の装置や設備などの配置に制限を緩和するべく小型化を施すと共振器と遮蔽構造間のインピーダンス整合が困難となり、電力伝送効率が大幅に劣化するという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、インピーダンス整合が容易な小型化された送受電器およびそれを用いる無線電力伝送システムを実現するものである。

本発明に係る無線電力伝送システムは、適宜な比透磁率を有する材料で形成された電磁波反射部材によって全体が包囲された構造体と、該構造体の内部に設置された少なくとも１つの送電部および少なくとも１つの受電部とを備え、
前記送電部は、前記構造体本体を導波路共振器と想定する場合における共振周波数による電磁波を送受信するものであり、前記受電部は第一の受電器および第二の受電器を備えてなるものであって、
前記送電部は、一方が開放端となる線状の金属で構成される導体線と、該導体線を保持する誘電体基板と、少なくとも１つ以上の導体柱と、整合回路とを電気的に接続してなるものであり、
前記第一の受電器は、一方が開放端となる線状の第一の導体線と、該第一の導体線の開放端でない他端において少なくとも１つ以上の第一の導体柱とを電気的に接続してなるものであり、
前記第二の受電器は、第一の導体線と対向配置された第二の導体線と、該第二の導体線の開放端でない他端において少なくとも１つ以上の第二の導体柱とを電気的に接続してなり、前記第一の導体柱の軸線と第二の導体柱の軸線とを同一直線上に対向して配置した場合において、該直線に直交する仮想平面を対称面として第二の導体線が前記第一の導体線に対称となるものであり、
前記送電部と受電部との間における伝送路間でインピーダンス整合させていることを特徴とする。

上記構成および構造により、送電器と無線電力伝送システムとの接続部で生じる反射電力をもっとも低減でき、モノポール型のような金属棒を垂直に配置した送電器を用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。

また、本発明に係る無線電力伝送システムの送電部は、前記送電器の導体線の長さと導体柱の長さとを合せた長さが前記構造体固有の共振周波数の波長の１／４より短く、かつ容量性素子として動作するものであることを特徴とする。

さらに、本発明に係る無線電力伝送システムの受電部は、前記第一の受電器および第二の受電器それぞれの導体線の長さと導体柱の長さとを合せた長さが、ともに前記構造体固有の共振周波数の波長の１／４より短く、かつ容量性素子として動作するものであることを特徴とする。

前記受電部において受電器を共振器で構成する必要が無くなり、該受電器と電磁波の遮蔽構造物間の整合が容易となる。

本発明によれば電磁波遮蔽構造体内の装置や設備などの配置に制限を与えることなく、無線電力伝送システムの送電部と受電部の見通しが悪くとも該受電部に必要な電力を高効率に供給できるようになる。

本発明に係る無線電力伝送システム１の構成図である。 本発明に係る送電部２の構成図である。 本発明に係る送電部２における送電器５の模式図である。 本発明に係る受電部３における受電器１１の模式図である。 無線電力伝送システムにおいて、共振器構造体内部に障害物１８を有する場合の概念図である。 無線電力伝送システムにおいて、共振器構造体を構成する電磁波反射板の一例を表す模式図である。 本発明の実施例１に係る障害物１８の一例を表す模式図である。 本発明の実施例１に係る可変整合回路６と送電器５を接続するＳＭＡコネクタの模式図である。 本発明の実施例１に係る受電部３における受電器１１を配置した一例を表す模式図である。 本発明の実施例１に係る無線センサモジュール３３の模式図である。無線センサモジュール３３は整流回路３１と無線通信機能を含むセンサモジュール３２とを電気的に接続してなる。

以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。本発明に係る無線電力伝送システムについて、図１を用いて説明する。図１は本発明に係る無線給電システムの構成図である。図１において、無線電力伝送システム１は内部にすくなくとも１つ以上の送電部２と、少なくとも１つ以上の受電装置３を備え、無線電力伝送システム１は電磁波を反射する材料である電磁波反射板４で全面が囲われている。すなわち、無線電力伝送システム１は無線給電を実現する構造物の全体を指している。

前記送電部２の構成について図２を用いて説明する。送電部２は、高周波電力を送電するための送電器５と可変整合回路６からなり、前記可変整合回路は例えば、高周波電源７に接続される。可変整合回路６は送電器５と高周波電源７との間に接続され、高周波電源７から出力された高周波電力が送電器５で反射されて高周波電源７に逆流することを防ぐ目的で接続される。

前記送電器５は、図３に示すように一方が開放端となる線状の金属で構成される導体線８と、導体線８を保持する誘電体基板９と、導体線８と前記可変整合回路６を接続する少なくとも１つ以上の導体柱１０からなる。

無線電力伝送システム１は電磁波反射板４で遮蔽された空間を有するため、導波管共振器として考えることができる。したがって、無線電力伝送システム１においてｘ軸方向の辺の長さａとｙ軸方向の辺の長さｂとｚ軸方向の辺の長さｃから求まる共振周波数ｆｒ_{ｍ，ｎ，ｐ}（数１）を送電周波数に設定することで、無線電力伝送システム１内全体に電磁界を分布させることができる。

ここで、ｖは光速、μ_ｒは比透磁率、ε_ｒは比誘電率、ｍ、ｎ、ｐはそれぞれ整数を示している。

前記共振周波数ｆｒ_{ｍ，ｎ，ｐ}の高周波電力を無線電力伝送システム１内に給電するために、前記送電器５の金属線８の長さと導体柱１０の長さの合計が共振周波数ｆｒ_{ｍ，ｎ，ｐ}の１／４波長より短く設定することで容量性素子として動作させることができる。無線電力伝送システム１は導波管共振器として、送電器５は容量性素子として動作することから、無線電力伝送システム１は高周波フィルタの共振回路、送電器５は電界結合素子からなるイミタンスイバータと同じ役割となる。すなわち、共振周波数ｆｒ_{ｍ，ｎ，ｐ}において、送電器５と無線電力伝送システム１との間の整合が容易となるため、モノポール型のような棒状の送電器を用いることなく高効率に電力を無線で給電することができる。

前記送電器５から送電された電力は図４に示す受電器１１で受電する。受電器１１は、一方が開放端となる線上の導体線１２と、導体線１２の他端と接続された少なくとも１つ以上の導体柱１３からなる受電器部品１４と、導体線１２と対向配置された導体線１５と、導体線１５の他端と接続された少なくとも１つ以上の導体柱１６からなる受電器部品１７から構成される。受電器５は導体柱１３の軸線と導体柱１６の軸線とを結ぶ同一直線上に対向して配置し、導体線１２と導体線１５は対称構造となっている。

前記受電器１１において、導体線１２の長さと導体柱１３の長さの合計、すなわち受電器部品１４の長さと、導体線１５の長さと導体柱１６の長さの合計、すなわち受電器部品１７の長さがそれぞれ共振周波数ｆｒ_{ｍ，ｎ，ｐ}の１／４波長より短く設定することでそれぞれ容量性素子として動作させることができる。無線電力伝送システム１は導波管共振器として、受電器１１は容量性素子として動作することから、無線電力伝送システム１は高周波フィルタの共振回路、受電器１１は電界結合素子からなるイミタンスイバータと同じ役割となる。すなわち、共振周波数ｆｒ_{ｍ，ｎ，ｐ}において、前記送電器５と無線電力伝送システム１との間の整合が容易となる。さらに、導体線１２と導体線１３は対称構造となっていることから、電気映像法により受電器部品１４と受電器部品１７の符号が対となる電荷をもつ容量素子となるため、受電器１１は共振周波数ｆｒ_{ｍ，ｎ，ｐ}の１／２波長共振器として動作させることなく差動型受電器として動作させることができる。結果、受電器を共振器で構成する必要なく、受電器と遮蔽構造物間の整合が容易となるため、高効率に送電器と受電器の見通しが悪くとも受電器に必要な電力の供給が実現できる。

なお、前記電磁波反射板４は例えば、銅や鉄などの金属や高い比透磁率を有する導電性材料、それらからなるメッシュや網に置き換えた場合、電力供給する周波数においてのみ電磁波反射板として動作させることができる。そのため、情報通信を行う周波数はメッシュや網を通過するので、情報通信は無線電力伝送システム１外から制御することができる。例えば、無線電力伝送システム１内でセンシングの指示やセンシングデータを無線電力伝送システム１外で送受信することができる。

例えば、図３に示す送電器５と図４に示す受電器１１、アルミニウムからなる障害物１８からなる図５に示す無線電力伝送システム１９を考える。無線電力伝送システム１９をなす電磁波反射板４はすべて導通接続されている。例えば、電磁波反射板４のうち５面分は図６に示すようにクロムメッキされた鋼線２０を複数用いて格子上に接続した金属網とする。格子のサイズは１２ｍｍ×１２ｍｍで鋼線の直径は１ｍｍとする。残り１面はアルミニウムの板で構成する。この格子サイズは無線電力伝送システム１９の基底共振周波数の波長に対して１／１６以下のサイズであり、センサ情報を送受信する情報伝送周波数の波長に対して１／８以上のサイズとする。

なお、前記電磁波反射板４はすべて金属板で構成することにより高い遮蔽性を実現することができる。また、電磁波反射板４をすべて金属網で表現することにより軽量化や通気性の確保が可能であり、より広い用途に適用することができる。あるいは、前記電磁波反射板４を透明薄膜上に透明電極により構成した金属網構造とすることで、さらに軽量化および設置の容易化を実現できる。

さらに、無線電力伝送システム１９の６面は各辺同士をアルミニウムからなるフレームによって固定することで強固に直方体の形状を保つことができ、かつ、高い導通性を実現できる。

無線電力伝送システム１９の内寸はｘ軸方向に４７３ｍｍ、ｙ軸方向に４７０ｍｍ、ｚ軸方向に８００ｍｍとする。無線電力伝送システム１９のうち送電器５と受電器１１および障害物１８が配置されている面を面２１とし、この面２１がアルミニウムの板で構成されているとする。例えば、障害物１８は４本の金属柱２２、２３、２４、２５および２枚の金属板２６、２７からなる。４本の金属柱２２、２３、２４、２５は金属板２６、２７の四角とそれぞれ導通するように固定されている。例えば、金属柱２２、２３、２４、２５はいずれもアルミニウムからなり、サイズはｘ軸方向に３０ｍｍ、ｙ軸方向に３０ｍｍ、ｚ軸方向に４００ｍｍとする。金属板２６、２７もいずれもアルミニウムからなり、サイズをｘ軸方向に４００ｍｍ、ｙ軸方向に３００ｍｍ、厚みを２ｍｍとする。金属板２６と固定されていない金属柱２２、２３、２４、２５の端は面２１と電気的に導通するように固定されている。金属柱２２、２３、２４、２５の他端と面２１の接続面からｚ軸方向に１００ｍｍの位置に金属棚２７が金属柱２２、２３、２４、２５の一端と電気的に導通するように固定される。金属板２６、２７の中点と面２１の中点が一致するように配置される。

図３に示す送電器５の誘電体基板９は比誘電率３．４の誘電体基板とし、その上に銅からなるマイクロストリップラインで導体線８を表現することで実現する。例えば、誘電体基板９のサイズはｘ軸方向に１００ｍｍ、ｙ軸方向に２０ｍｍ、導体線８は幅２ｍｍ、長さ８０ｍｍで、誘電体基板９の短辺の中心と導体線の幅の中心が一致するように配置される。導体柱１０は銅で実現する。例えば、導体線８の一端に径１ｍｍの穴をあけ、同径で長さが２０ｍｍの導体柱１０を差し込み、はんだで固定する。送電器５の導体柱１０の一端は、例えば、図８に示すようにパネルマウントタイプのＳＭＡコネクタ２８の中心導体２９にはんだづけし、外導体３０をねじおよびナットにより電磁波反射板４あるいは障害物１８に固定することができる。なお、送電器は前記誘電体基板９を透明薄膜とし、前記導体線８を透明電極により構成することで、視界を遮ることなく同等の性能を維持できる。

図４に示す受電器１１の導体線１２、１５は、例えば、その形状を保持する目的で比誘電率３．４の誘電体基板上に銅からなるマイクロストリップラインで表現し、導体柱１３、１６はともにアルミニウムで実現する。導体線１２、１５は１０５ｍｍと同じ長さで、開放端から４０ｍｍで直角に曲がり、２５ｍｍの長さを構成し、さらに直角に曲がり４０ｍｍの長さをもつ。導体線１２、１５の他端に径１ｍｍの穴をあけ、同径で長さが１０ｍｍの導体柱１３、１６の一端をそれぞれ差し込み、はんだで固定する。導体柱１２、１５の他端は、例えば、受電回路を形成した回路基板上にはんだで固定することで受電部を実現する。なお、図４では受電器の導体線はコの字型となっているが、該導体線の形状はこれに限らず、対称に対向して配置されていればよい。

例えば、前記送電器５は無線電力伝送システム１９のｘ座標が１９８ｍｍ座標が２３５ｍｍ、ｚ座標が８００ｍｍの位置、すなわち電磁波反射板４上に、前記受電器１１は障害物１８の金属板２６において、送電器５と向かい合う面にｘ座標が２１８ｍｍ、ｙ座標が２２３．５ｍｍの位置にそれぞれ取り付ける。ここで、送電器５と受電器１１の座標位置は中心導体１４および導体柱１３、１６を基準として定められるものとする。送電器５と受電器１１は互いに見通し内に位置されている。

前記障害物１８を含まない無線電力伝送システム１の基底共振周波数は、その内寸から計算式（数２）より求められる。

一方、前記障害物１８を含んだ無線電力伝送システム１９は前記無線電力伝送システム１から共振周波数は変化する。この共振周波数は電磁界シミュレーションなどを用いることで構造から容易に計算することができる。例えば、図３に示す構造は４５３ＭＨｚとなる。よって、電力伝送に用いる周波数は４５３ＭＨｚとなる。

このような構成において、送電器５と受電器１１を含む送受電システムがインピーダンス整合された状態での電力伝送効率は９７％となる。

一方、送電器５の見通し外となるように受電器１１を、例えば、図９に示すように遮蔽物１１の金属棚２７における金属棚２６と向かい合う面上のｘ座標８５ｍｍ、ｙ座標１３５ｍｍとなる見通し外の位置に移動させた場合のインピーダンス整合後の電力伝送効率は９０％となる。

これにより、受電器１１に接続された、例えば、温度センサや照度センサ、湿度センサなどのセンサモジュールといった電子機器を駆動させることができる。

なお、前記受電器１１の２つの金属線１２、１５を保持する誘電体基板９の間は仮想グラウンド面となるため、前記誘電体基板９の間に回路を挿入することも可能となる。例えば、図１０に示すように整流回路３１と無線通信機能を含むセンサモジュール３２からなる無線センサモジュール３３を配置する。

このような構成において、前記受電器１１の出力部となる導体柱１３、１６に前記整流回路３１を接続することで前記無線センサモジュール３３は直流電力を得ることができる。例えば、前記整流回路３１に１０ｋΩの負荷抵抗を接続した場合、負荷抵抗に印加される電圧から直流出力電力を測定できる。直流出力電力と送電器５に入力した電力の比から電力伝送効率が算出可能である。

また、例えば、前記受電器１１を前記障害物１８の金属板２６において、前記送電器５と向かい合う面にｘ座標が１９８ｍｍ座標が２３５ｍｍの位置に配置し、前記整流流回路３１を倍電圧整流回路で構成した場合、送電器５に１５．９ｄＢｍを入力すると電力伝送効率は４９．０％となる。見通し外となる前記金属板２７上の同位置における電力伝送効率は３６．９％となる。前記金属板２６のｘ座標８５ｍｍ、ｙ座標１３５ｍｍでは２０．３％、前記金属板２７の同位置では１０．９％となる。

また、例えば、前記センサモジュール３２を照度センサとし、無線通信機能をＺｉｇｂｅｅとした場合、前記送電器５と向かい合う面にｘ座標が１９８ｍｍ座標が２３５ｍｍの位置に配置した場合、見通し外となる前記金属板２７上の同位置に配置した場合、前記金属板２６のｘ座標８５ｍｍ、ｙ座標１３５ｍｍに配置した場合、および前記金属板２７の同位置に配置した場合でも前記無線センサモジュール３３を駆動できる。さらに電磁波反射板４をすべて金属網で表現することにより、前記無線センサモジュール３３からの情報を前記無線電力伝送システム１の外部で受信することができる。

１、１９ 無線電力伝送システム
２ 送電部
３ 受電部
４ 電磁波反射板
５、送電器
６、可変整合回路
７、高周波電源
８、１２、１５ 金属線
９、誘電体基板
１０、１３、１６ 導体柱
１１、受電器
１４、１７ 受電器部品
１８、障害物
２０、鋼線
２１、面
２２、２３、２４、２５ 金属柱
２６、２７ 金属板
２８、ＳＭＡコネクタ
２９、中心導体
３０、外導体
３１、整流回路
３２、センサモジュール
３３、無線センサモジュール

Claims (3)

1. 適宜な比透磁率を有する材料で形成された電磁波反射部材によって全体が包囲された構造体と、該構造体の内部に設置された少なくとも１つの送電部および少なくとも１つの受電部とを備え、
   前記送電部は、前記構造体本体を導波路共振器と想定する場合における共振周波数による電磁波を送受信するものであり、前記受電部は第一の受電器および第二の受電器を備えてなるものであって、
   前記送電部は、一方が開放端となる線状の金属で構成される導体線と、該導体線を保持する誘電体基板と、少なくとも１つ以上の導体柱と、整合回路とを電気的に接続してなるものであり、
   前記第一の受電器は、一方が開放端となる線状の第一の導体線と、該第一の導体線の開放端でない他端において少なくとも１つ以上の第一の導体柱とを電気的に接続してなるものであり、
   前記第二の受電器は、第一の導体線と対向配置された第二の導体線と、該第二の導体線の開放端でない他端において少なくとも１つ以上の第二の導体柱とを電気的に接続してなり、前記第一の導体柱の軸線と第二の導体柱の軸線とを同一直線上に対向して配置した場合において、該直線に直交する仮想平面を対称面として第二の導体線が前記第一の導体線に対称となるものであり、
   前記送電部と受電部との間における伝送路間でインピーダンス整合させていることを特徴とする無線電力伝送システム。
2. 前記送電部は、該送電部の導体線の長さと導体柱の長さとを合せた長さが前記構造体固有の共振周波数の波長の１／４より短く、かつ容量性素子として動作するものであることを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送システム。
3. 前記受電部は、前記第一の受電器および第二の受電器それぞれの導体線の長さと導体柱の長さとを合せた長さが、ともに前記構造体固有の共振周波数の波長の１／４より短く、かつ容量性素子として動作するものであることを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送システム。
   

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